結晶膜的製造方法及製造裝置的製作方法

2023-06-19 19:28:01

專利名稱：結晶膜的製造方法及製造裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及向非晶膜照射雷射使其細微晶化來製作結晶膜的結晶膜的製造方法 及製造裝置。
背景技術：
為了製造用於液晶顯示裝置等薄型顯示器平板顯示器的薄膜電晶體(TFT)的 晶化矽，一般使用如下兩種方法一種方法是雷射退火法，向設在基板上層的非晶矽膜照 射脈衝雷射，使該非晶矽膜熔融、再晶化；另一種方法是固相生長法(SPC，Solid Phase Crystallization)，用預熱爐對上層具有非晶矽膜的上述基板進行加熱，不使上述矽膜熔 融，在固體的狀態下進行結晶生長。另外，本發明人確認了通過將基板溫度保持在加熱狀態的狀態下，向非晶膜照射 脈衝雷射，可以得到比固相生長更細微的多晶膜，並提出了專利申請(參照專利文獻1)。現有技術文獻專利文獻1 日本專利特開2008-147487號公報

發明內容
本發明要解決的問題近些年來，在製造大型電視用0LED(0rganic light-emitting diode)面板或 IXD(Liquid Crystal Display)面板時，希望有廉價製造均勻、大面積的細微的多晶矽膜的方法。另外，最近，在取代液晶顯示器作為最有希望的下一代顯示器的有機EL顯示器 中，通過有機EL自身進行發光來提高屏幕的亮度。由於有機EL的發光材料不是像LCD那 樣進行電壓驅動，而是進行電流驅動，因此對TFT的要求不同。在非晶矽所構成的TFT中， 難以抑制老化，閾值電壓(Vth)會產生大幅漂移，限制了器件的壽命。另一方面，多晶矽由 於是穩定的材料，因此壽命較長。然而在多晶矽所構成的TFT中，TFT的特性偏差較大。該 TFT特性的偏差是由於晶粒直徑的偏差、以及結晶矽的晶粒的界面(晶界)存在於TFT的溝 道形成區域，故更容易產生。TFT的特性偏差主要容易受存在於溝道間的晶粒直徑和晶界的 數量的影響。並且，若晶粒直徑較大，則一般而言電子遷移率變大。有機EL顯示器用途的 TFT雖然電場電子遷移率較高，但必須使TFT的溝道長較長，RGB (紅綠藍)各1個像素的大 小取決於TFT的溝道長，無法得到高解析度。因此，對於晶粒直徑的偏差較小而細微的結晶 膜的要求程度越來越高。但是，在以往的晶化方法中，難以解決這些問題。這是因為，其中之一的雷射退火法是使非晶矽先熔融並再晶化的過程，一般形成 的晶粒直徑較大。因此，如以前說明的那樣，電場電子遷移率較高，多個TFT的溝道區域內 的晶粒直徑的數量產生偏差，以及隨機的形狀、相鄰的結晶的結晶取向性的差異，結果會大 幅影響TFT的特性偏差。特別在雷射疊加部結晶性易於出現差異，該結晶性的差異會大幅影響TFT的特性偏差。另外，還存在由於表面的汙染物(雜質)會使結晶產生缺陷這樣的 問題。另外，由固相生長法(SPC法)得到的結晶的粒徑較小、TFT偏差較小，是解決上述 問題的最有效的晶化方法。然而，其晶化時間較長，難以用作為批量生產用途。在可以進行 固相生長法(SPC)的熱處理工序中，使用同時處理多片基板的批量型的熱處理裝置。由於 同時對大量的基板進行加熱，因此升溫及降溫需要較長時間，並且基板內的溫度易於不均 勻。另外，固相生長法若以高於玻璃基板的形變點溫度的溫度進行長時間加熱，則會引起玻 璃基板自身的收縮、膨脹，使玻璃損壞。由於SPC的晶化溫度高於玻化點，因此較小的溫度 分布會使玻璃基板產生彎曲或收縮分布。其結果是，即便可以進行晶化，但在曝光工序等過 程中會產生問題，難以製造器件。處理溫度越高越要求溫度均勻性。一般而言，晶化速度取 決於加熱溫度，在600°c下需要10至15小時，在650°C下需要2至3小時，在700°C下需要 幾十分鐘的處理時間。為了進行處理而不使玻璃基板損壞，需要長時間的處理時間，該方法 難以用作為批量生產用途。本發明是以上述情況為背景而完成的，其目的在於提供一種結晶膜的製造方法及 製造裝置，可以從非晶膜高效地製作晶粒直徑的偏差較小的細微的結晶膜而不使基板損 壞。用於解決問題的方法即，本發明的結晶膜的製造方法的特徵在於，向位於基板的上層的非晶膜照射510 至540nm的可見波長範圍的連續振蕩雷射，將上述非晶膜加熱至不超過熔點的溫度，使該 非晶膜進行晶化。本發明的結晶膜的製造裝置的特徵在於，包括雷射振蕩器，輸出510至540nm的 可見波長範圍的連續振蕩雷射；光學系統，對從該雷射振蕩器輸出的雷射進行整形並導入 非晶膜；掃描裝置，使上述非晶膜沿著該非晶膜的表面方向對於上述雷射相對移動；以及 衰減器，調整上述雷射的功率密度，使得上述雷射在利用上述掃描裝置掃描並照射到上述 非晶膜時，該非晶膜被加熱至不超過熔點的溫度並被晶化。根據本發明，通過將可見光範圍的連續振蕩雷射照射到非晶膜，該雷射被非晶膜 有效吸收，非晶膜被急速加熱至不超過熔點的溫度，可以用不同於以往的熔融、再晶化法的 方法，得到粒徑的偏差較小的均勻的細微結晶、例如大小為50nm以下的細微結晶。在以往 方式的熔融晶化法或利用預熱爐的SPC(固相生長法)中，晶粒的偏差較大。在本發明中， 除使用連續振蕩雷射以外不需要將上述非晶膜進行預熱，可以抑制形成有非晶膜的基板的 升溫，高效地處理非晶膜。另外，根據本發明，在雷射的疊加處也可以得到同樣的結晶性，均勻性提高。在以 往方式的雷射退火法中，在非晶膜的雷射的疊加處會成為其他形態的結晶，損害結晶的均 勻性。另外，通過使非晶膜、特別是非晶矽的連續振蕩雷射其短軸寬度為100 μ m以下， 沿著短軸寬度方向進行掃描使其在短時間內加熱，難以達到基底的基板受到損壞的溫度。 特別是通過使雷射以高速相對地進行掃描以縮短照射時間，可以確實避免損壞基板。另外， 在本發明中，不需要對基板的預熱，但作為本發明，不排除進行基板的加熱。另外，由於用非晶膜、特別是非晶矽吸收好的雷射直接加熱，因此不需要在非晶膜的上層間接地設有雷射吸收層。作為非晶膜，優選的是具有50至200nm的厚度的非晶矽膜。上述波長範圍對於非 晶矽膜的吸收率特別好，可以很好地進行細微晶化。由於若非晶矽膜的厚度為50nm以下， 則加熱的影響容易波及到基板，若超過200nm，則整個膜難以充分晶化，因此優選上述厚度。但是，由於對於非晶矽的可見光吸收率會根據非晶矽的膜厚而變化，因此優選選 定吸收好的膜厚。另外，優選的是在將上述波長範圍的連續振蕩雷射照射到非晶膜時，該雷射的功 率密度在照射面中為陽 ^OkW/cm2的範圍內。若功率密度較低，則無法充分加熱非晶膜， 難以晶化。另一方面，若功率密度太高，則非晶膜會被加熱至超過熔點的溫度等，難以得到 細微的晶粒。因此，雷射的功率密度優選上述範圍。另外，優選的是在雷射的照射中，雷射的短軸寬度為ΙΟΟμπι以下。通過照射在非 晶膜的一部分的區域，可以不給基板帶來熱影響，局部地對非晶膜進行急速加熱。通過使激 光在該短軸寬度方向相對地移動，可以在非晶膜較寬的區域進行晶化處理。但是，若短軸寬 度太大，則為了高效地晶化就必須增加掃描速度，裝置成本會提高。通過使上述雷射對非晶膜相對地進行掃描，可以使上述非晶膜沿表面方向晶化。 該掃描可以使雷射側移動，可以使非晶膜側移動，也可以使兩者移動。該掃描速度優選為 50 IOOOmm/ 秒。若掃描速度較小，則照射時間增多，會被加熱至超過熔點的溫度，有時發生熔融或 者燒蝕。另外，若掃描速度較大，則照射時間減少，有時無法加熱至使其固相晶化的溫度。發明的效果如以上說明那樣，根據本發明的結晶膜的製造方法，由於向位於基板的上層的非 晶膜照射510至540nm的可見波長範圍的連續振蕩雷射，將上述非晶膜加熱至不超過熔點 的溫度使該非晶膜進行晶化，因此可以不超過基板的轉移點或者即使超過轉移點也能以低 溫進行處理，可以用雷射僅將非晶膜加熱至高溫並使其晶化。同時具有可以在短時間生成 50nm以下的微晶這樣的效果。同時具有在疊加部也可以同樣生成50nm以下的微晶這樣的 效果(對大面積的晶化有效)。同時具有通過縮短照射時間、將基板的形變(彎曲、變形、內 部應力)抑制在最低限度的效果。同時具有由於多少將玻璃基板加熱、因此去除非晶矽膜 內內在的雜質或附著在表面的汙染物的效果。另外，根據本發明，可以降低裝置的成本及維 護費用，可以進行開工率較高的處理，由此可以提高生產率。


圖1是表示本發明的一個實施方式及一個實施方式的製造方法所使用的連續振 蕩固體雷射退火處理裝置的縱向剖視圖。圖2是表示同一實施例的雷射照射後的薄膜的SEM照片。圖3是表示同一實施例的雷射照射後的薄膜的SEM照片。標號說明1雷射振蕩器2雷射遮光器3衰減器
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4光學系統40a全反光鏡40b全反光鏡40c全反光鏡41a聚焦透鏡41b聚焦透鏡6 基板63非晶矽薄膜7基板載放臺8除振臺10連續振蕩固體雷射退火處理裝置
具體實施例方式下面，基於圖1說明本發明的一個實施方式。在本實施方式的結晶膜的製造方法中，設以用於平板顯示器TFT器件的基板6為 對象，在該基板6上形成有非晶矽薄膜6a作為非晶膜。但是，作為本發明，成為對象的基板 及形成於其上的非晶膜的類別不限於此。非晶矽薄膜6a由通常的方法形成於基板6的上層。圖1是表示用於本發明的一個實施方式的結晶膜的製造方法的連續振蕩固體激 光退火處理裝置10，該連續振蕩固體雷射退火處理裝置10相當於本發明的結晶膜製造裝置。在連續振蕩固體雷射退火處理裝置10中，可見光CW雷射振蕩器1設置在除振臺 8上，該可見光CW雷射振蕩器1是輸出波長為510至540nm的連續振蕩雷射的連續振蕩固 體雷射器。在可見光CW雷射振蕩器1的輸出側，配置對雷射Ia的通過和遮斷進行切換的激 光遮光器2，在該雷射遮光器2的通過前方配置衰減器3。另外，衰減器3隻要能以預定的 衰減率使雷射衰減即可，作為本發明，不限於特定的結構。在衰減器3的輸出側，配置全反光鏡40a、40b、40c，在全反光鏡40c的偏轉前方配 置聚焦透鏡41a、41b，這些全反光鏡40a至40c、聚焦透鏡41a、41b構成光學系統4，此外，在 該光學系統4中，還包括未圖示的光束均質器等，可對光束進行整形，使雷射Ia為長方形或 者線束狀等預定的形狀，短軸寬度成為5 100 μ mm。在光學系統4的射出方向，設置載放基板6的基板載放臺7。基板載放臺7可沿著 該載放臺的表面方向(XY方向)移動，包括使該基板載放臺7沿上述表面方向高速移動的 掃描裝置(未圖示)。接下來，說明使用上述連續振蕩固體雷射退火處理裝置10的非晶矽薄膜的晶化 方法。首先，在基板載放臺7上，載放在上層形成有非晶矽薄膜6a的基板6。在本實施方 式中該基板6不利用加熱器等進行加熱。由可見光CW雷射振蕩器1輸出波長為510至540nm的連續振蕩雷射，並且雷射遮
6光器2打開，使雷射Ia可以通過。從可見光CW雷射振蕩器1輸出的連續振蕩雷射Ia通過雷射遮光器2後到達衰減 器3，通過該衰減器3以預定的衰減率衰減。該衰減率被設定為，雷射在加工面成為本發明 規定的功率密度。衰減器3也可以使衰減率可變，可變更功率密度。另外，作為本發明，也 可以不使用衰減器，而在雷射源中進行輸出調整來調整功率密度。調整了功率密度的連續振蕩雷射Ia在光學系統4中，被全反光鏡40a、40b、40c反 射並偏轉，被聚焦透鏡41a、41b聚焦。此時，通過未圖示的光束均質器等。在該光學系統4 中，振蕩雷射Ia被整形為短軸寬度為100 μ m以下的長方形或者線束狀，朝向基板6以照射 面中為55 ^OkW/cm2的功率密度進行照射。上述基板載放臺7被掃描裝置沿著非晶矽薄膜6a面在雷射束的短軸寬度方向進 行掃描，其結果是，在該非晶矽薄膜6a面的較寬區域，相對地進行掃描並照射上述連續振 蕩雷射。另外，此時，使連續振蕩雷射的掃描速度為50 IOOOmm/秒，在非晶矽薄膜6a上， 使連續振蕩雷射高速移動並照射。利用上述連續振蕩雷射Ia的照射，僅有基板6上的非晶矽薄膜6a被加熱，在短時 間內被多晶化。此時，非晶矽薄膜6a的加熱溫度成為不超過其熔點的溫度(例如為1000 1200°C左右)。由該照射得到的結晶薄膜的晶粒直徑為50nm以下，沒有在以往的固相結晶 生長法中觀察到的突起，具有均勻且細微的優質的結晶性。該結晶薄膜可以適用於有機EL顯示器。但是，作為本發明的使用用途不限於此， 可以用作為其他液晶顯示器或電子材料。另外，在上述實施方式中，是通過使基板載放臺移動來相對地使脈衝雷射進行掃 描，但也可以通過使傳導脈衝雷射的光學系統高速移動來相對地使脈衝雷射進行掃描。實施例1接下來，說明本發明的實施例。進行了如下實驗使用上述實施方式的連續振蕩固體雷射退火處理裝置10，對在 玻璃制的基板的表面由通常的方法形成的50nm厚的非晶矽薄膜照射連續振蕩雷射。在該實驗中，設連續振蕩雷射為波長532nm的可見光，被光學系統進行光束整形， 使其截面為長方形，加工面成為7 μ mX 2mm或者65 μ mX 2mm。另外，雷射被衰減器3進行調 整，使得在加工面中的功率密度成為表1所示的值。通過使基板載放臺以表1所示的掃描速度(載放臺速度)移動，使連續振蕩雷射 對上述非晶矽膜相對地進行掃描，且雷射照射到該非晶矽膜。以各種條件被雷射照射的薄膜(No. a至j)的SEM照片如圖2、3所示。薄膜中，供試材料似丄^』』^、!!^的晶粒直徑的偏差較小，整個面被均勻多晶 化，且可以得到優質的多晶矽薄膜。晶粒也沒有產生50nm以下的較小突起。另外，在疊加 部也生成均勻的微晶。另外，即使預先在成為非晶矽完全熔解的條件的Secco溶液中進行 蝕刻(21秒)也不會產生變化，可以確認得到的各矽膜具有結晶性。另一方面，對於供試材料No. a，由於功率密度增大，因此被加熱至超過熔點的溫度 並熔融。供試材料No. e、j的功率密度減少，在照射區域整個範圍散布有無法得到固相晶化 的狀況。S卩，根據本發明方法，判明可以均勻得到結晶矽膜，可以提供TFT特性的偏差較小
7的矽膜。以上，基於上述實施方式及實施例說明了本發明，但本發明不限於上述說明的範 圍，只要不脫離本發明的範圍，當然可以進行適當的變更。
權利要求
1.一種結晶膜的製造方法，其特徵在於，向位於基板的上層的非晶膜照射510至540nm的可見波長範圍的連續振蕩雷射，將所 述非晶膜加熱至不超過熔點的溫度，使該非晶膜進行晶化。
2.如權利要求1所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於， 所述非晶膜是具有50至200nm的厚度的非晶矽膜。
3.如權利要求1或2所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於， 所述雷射的功率密度在所述非晶膜照射面中為陽 ^OkW/cm2。
4.如權利要求1至3中任一項所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於， 照射到所述非晶膜的雷射的短軸寬度為100 μ m以下。
5.如權利要求1至4中任一項所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於，使所述雷射對所述非晶膜相對地進行掃描並進行所述照射，該掃描速度為50 IOOOmm/ 秒。
6.如權利要求5所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於，將所述雷射由光學系統進行光束整形為長方形或者線束狀，使所述基板側高速運動來 進行所述掃描。
7.如權利要求1至6中任一項所述的結晶膜的製造方法，其特徵在於， 由所述晶化得到大小為50nm以下的微晶。
8.一種結晶膜的製造裝置，其特徵在於，包括雷射振蕩器，輸出510 540nm的可見波長範圍的連續振蕩雷射； 光學系統，對從該雷射振蕩器輸出的雷射進行整形並導入非晶膜； 掃描裝置，使所述非晶膜沿著該非晶膜的表面方向對於所述雷射相對移動；以及 衰減器，調整所述雷射的功率密度，使得所述雷射在利用所述掃描裝置掃描並照射到 所述非晶膜時，該非晶膜被加熱至不超過熔點的溫度並被晶化。
9.如權利要求8所述的結晶膜的製造裝置，其特徵在於，所述光學系統對雷射進行整形，使得整形後的所述雷射在掃描方向具有短軸寬度，該 短軸寬度成為5 100 μ m。
10.如權利要求8或9所述的結晶膜的製造裝置，其特徵在於，所述掃描裝置以50 IOOOmm/秒的速度使所述非晶膜對於所述雷射相對移動。
11.如權利要求8至10中任一項所述的結晶膜的製造裝置，其特徵在於，所述衰減器將所述雷射的功率密度在向所述非晶膜的照射面中調整為55 290kW/cm 2ο
12.如權利要求8至11中任一項所述的結晶膜的製造裝置，其特徵在於， 所述雷射利用向所述非晶膜照射而將該非晶膜加熱至1000 1200°C。
全文摘要
本發明在使非晶膜進行晶化時，可以均勻高效地製作細微的結晶。向位於基板(6)的上層的非晶膜(非晶矽膜(6a))照射510～540nm的可見波長範圍的連續振蕩雷射(1a)，將所述非晶膜加熱至不超過熔點的溫度，使該非晶膜進行晶化。連續振蕩雷射優選功率密度為55～290kW/cm2、短軸寬度為100μm以下，進一步優選將連續振蕩雷射相對地以掃描速度50～1000mm/秒進行掃描。可以從非晶膜高效地製作晶粒直徑的偏差較小的細微的結晶膜而不使基板損壞。
文檔編號H01L21/20GK102067285SQ201080001857
公開日2011年5月18日 申請日期2010年4月26日 優先權日2009年5月1日
發明者井波俊夫, 富樫陵太郎, 河上徹太郎, 草間秀晃 申請人:株式會社日本制鋼所