用于受激準分子激光退火工藝的監控方法和設備的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年6月22日提交的美國臨時申請No。61/663,435以及2013年 5月31日提交的美國臨時申請No。13/907, 637的優先權，其整體公開在此通過引用并入本 文。
技術領域
[0003] 本發明總體上涉及通過脈沖激光輻照使得薄硅（Si)層熔化并重結晶。該方法具 體涉及評估重結晶層的方法。
【背景技術】
[0004] 硅結晶是經常被使用在薄膜晶體管（TFT)、主動矩陣IXD和有機LED(AMOLED)顯示 器的制造中使用的一個步驟。結晶硅形成了半導體基底，其中通過傳統光刻工藝形成顯示 器的電路。通常，利用具有沿長度方向（長軸）的均勻密度分布并且具有沿寬度方向（短 軸）的均勻的或"禮帽形"的強度輪廓的長線形式的脈沖激光束來執行結晶。在該工藝中， 在相對于激光輻射脈沖的傳送源轉化基片（及其上面的硅層）的同時，玻璃基片上的非晶 硅的薄層被激光輻射脈沖重復熔化。執行特定最佳能量密度（0ED)下經由重復脈沖的熔化 和再凝固（重結晶），直到獲取了膜中的期望結晶微結構。
[0005] 光學元件被用來將激光脈沖形成為輻射線，而且在寬度為輻射線的帶中發生結 晶。進行了各種嘗試來保持輻射脈沖強度沿該線高度均勻。有必要這樣做來保持結晶微 結構沿該帶均勻。光脈沖的優選源是受激準分子激光器，其傳遞脈沖的波長處于電磁譜的 紫外線范圍。采用受激準分子激光脈沖的上述結晶工藝通常被稱為受激準分子激光退火 (ELA)。該工藝是一個精細的工藝，而且針對0ED的誤差容限可以是很小的百分比或者小到 ±0.5%
[0006] 操作兩者模式的ELA。在一種模式下，相對于激光束的面板的轉換速度足夠低到使 得一個接一個的脈沖的束寬的"禮帽形部分"重疊到達95%，由此任意極微小的區域接收總 共大約20個脈沖。在稱為增強ELA或AELA的另一模式中，轉換速度快得多，而且在單個通 過面板中，輻射的"線"具有最小的重疊而且甚至可能在它們之間留下未結晶空間。進行多 個通行以使得利用比ELA工藝總數量可能要少些的脈沖來輻射整個平面以產生等效的材 料。
[0007] 不管采用哪種ELA模式，生產線中面板上的結晶膜的評估在當前是線下通過視覺 檢驗完成的。這種檢驗完全是主觀的而且高度取決于受訓的有經驗的檢驗人員，檢驗人 員通過他們的經驗能夠在結晶束的能量密度中將觀測到的平面特征與非常小（例如小于 1%)的變化進行關聯。在制造環境中，如果工藝能量密度的變化是必須的，則視覺分析和 建立的工藝通常在執行結晶之后的大約一個小時到一個半小時之間進行，其中對可接受面 板的生產線生產能力產生相應的不利影響。
[0008] 需要一種ELA工藝的評估的目標方法。優選地，該方法應該至少能夠實施在生產 線上。更優選地，該方法應該能夠用于反饋環路中的準實時評估以響應于評估提供的數據 來自動地調節工藝能量密度。
【發明內容】
[0009] 本發明涉及評估通過暴露至多個激光輻射脈沖而至少部分結晶的半導體層的結 晶進程，該多個激光輻射脈沖在該層上具有能量密度。結晶分別在彼此垂直的第一和第二 方向上該層上產生了第一和第二第一和第二組周期性表面特征，第一和第二組周期性特征 的形成取決于半導體激光所暴露至的激光輻射脈沖的能量密度。
[0010] 在本發明的一個方面中，一種評估方法包括將光傳遞至結晶半導體層的區域以使 得光的第一和第二部分分別被第一和第二組周期性特征衍射。第一和第二衍射光部分的幅 度被分別測量。根據測得的第一和第二衍射光部分的幅度來確定激光輻射脈沖在該層上的 能量密度。
【附圖說明】
[0011] 本文所并入的作為說明書一部分的附圖示意性地圖示了本發明的優選實施例，而 且與上面給出的總說明和下面給出的優選實施例的詳細說明一起，用來解釋本發明的原 理。
[0012] 圖1是示意性地圖示出針對ELA結晶硅層的掃描激光顯微鏡圖像的快速傅立葉變 換（FFT)的沿滾動橫向的作為脈沖能量密度的函數的測得峰值幅度的示圖。
[0013] 圖2是示意性地圖示出針對A-ELA結晶硅層的掃描激光顯微鏡圖像的FFT的沿滾 動橫向的作為脈沖能量密度的函數的測得峰值幅度的示圖。
[0014] 圖3是示意性地圖示出針對A-ELA結晶硅層的掃描激光顯微鏡圖像的快速傅立葉 變換（FFT)的沿滾動橫向的作為脈沖數量的函數的測得峰值幅度的示圖。
[0015] 圖4是ELA結晶硅層的區域的偏振光顯微鏡圖像，其圖示出結晶期間形成的與層 的滾動方向（RD)橫切并平行的脊部。
[0016] 圖5是與圖4的結晶層區域類似的結晶層區域的干涉顯微鏡圖像，描繪了分別來 自橫向和滾動方向脊部的衍射光形成的光的水平和垂直帶。
[0017] 圖6是示意性地圖示出針對來自ELA結晶層的橫向和滾動方向脊部的衍射光的作 為脈沖-能量密度的測得幅度的示圖。
[0018] 圖7是示意性地圖示出針對410、415和420mJ/cm2的ED的作為A-ELA結晶層的 橫向和滾動方向脊部的衍射光的脈沖數量的函數的測得幅度的示圖。
[0019] 圖8和8A示意性地圖示出根據本發明的用于分別測量來自ELA結晶層的橫向和 滾動方向脊部的衍射光的幅度的設備的一個優選實施例。
[0020] 圖9示意性地圖示出根據本發明的ELA設備的一個優選實施例，其包括與可變衰 減器f協作的圖8的設備，可變衰減器用于響應于來自ELA結晶層的橫向和滾動方向脊部 的衍射光的測得幅度而調節硅層上的脈沖能量密度。
[0021] 圖10示意性地圖示出根據本發明的與圖9的設備類似的ELA設備的另一優選實 施例，但是其中圖8的設備由根據本發明的設備的另一優選實施例代替以分別測量來自 ELA結晶層的橫向和滾動方向脊部的衍射光的幅度。
【具體實施方式】
[0022] 薄Si膜的ELA處理導致了表面粗糙度的形成：由于Si在固化時的膨脹而形成凸 起；它們尤其會形成在橫向生長期間相撞的三個或更多凝固前沿之間。凸起通常不是隨機 布置的。實際上，它們由于在文獻中被統稱為激光誘導周期性表面結構（LIPSS)的波紋形 成的處理而對齊。因此，波紋由多系列對齊的凸起構成。僅僅在其中實現了膜的部分熔化 的能量密度窗口（范圍）中觀察到波紋形成。通常，波紋周期性處于入射光波長的數量級， 例如針對XeCl受激準分子激光的大約290-340nm。由于這些小尺寸，利用傳統光學顯微鏡 技術不能觀察到或者最多也僅僅能勉強觀察到波紋。
[0023] 通常在光學亮視場顯微鏡中觀測到的是，ELA處理過的膜的表面由散布有較亮區 域的細長較暗有色區域組成。較暗區域的嚴格檢驗顯示出，它們由具有更高凸起的更強波 紋狀（有序的）區域組成，其間是具有更少秩序和/或更低凸起的區域。更有序的區域在 此被稱為脊部，其間的區域被稱為谷部。開創性地發現，脊部的形成貌似與具有沿與波紋方 向垂直的方向的脊部的典型定向的波紋的形成相關聯。本發明的方法和設備取決于測量來 自薄Si膜（層）的由于ELA工藝而形成的脊部的光衍射。方法提供了對形成波痕的程度 的間接測量，這可被用來準實時地監控或控制ELA工藝。此外，描述了一種方法用于更直接 的觀察波紋本身，盡管使用的顯微鏡技術相對于用于測量來自脊部的衍射的更傳統光學顯 微鏡技術相對較慢。
[0024] 通常不會僅僅在一個方向上形成波紋。波紋主要形成為沿與掃描方向平行的方 向，而且也沿與掃描方向垂直的方向（線方向）。波紋是周期性的，而且在此利用利用冶金 學中的通用術語經由它們的周期性的方向描述，其中滾動方向（RD)對應于掃描方向，而且 橫向（TD)對應于線方向。由此，由于沿掃描方向定向的波紋在橫向上是周期性的，它們被 稱為I'D波紋。類似地，沿線方向定向的波紋滾動方向上是周期性的，并被稱為RD波紋。
[0025] 根據LIPSS理論，TD波紋具有大致等于光波長的間隔，同時RD波紋大致以入/ (1土sin0)間隔開，通常以V(l_sin0)間隔為主，其中0是激光福射在層上的入射角， 其在ELA中通常大約是5度或者更大。波紋形成有助于獲取均勻的多晶硅膜，這是因為增 益結構趨于遵循表面周期性。當存在波紋時，形成了非常有序的膜，其主要包括尺寸大約是 入乘X/(l_sin0 )的矩形顆粒。在更低的能量密度（ED)下顆粒更小，在更高ED下顆粒更 大。當生長了大于波紋相區尺寸的顆粒時，在此稱為超級橫向生長（SLG)，表面回流將導致 凸起高度的減小以及膜中次序的逐漸消失。
[0026] 在用于確定波紋導致的表面周期性和激光脈沖的ED之間的數量的數量關系的第 一