用于低温多晶硅结晶的短脉冲光纤激光器的制造方法
【专利说明】用于低温多晶硅结晶的短脉冲光纤激光器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年12月31日提交的美国临时申请第61/747，805号的优先权，所述申请特此以引证的方式全部纳入本说明书中。
技术领域
[0003]本公开内容涉及用于形成薄膜晶体管的硅层的方法和设备。
【背景技术】
[0004]各种类型的硅基板被用于包含太阳能电池和显示装置的许多应用中。所谓的非晶硅(a-Si)被用于高分辨率液晶显示器中以提供其中可限定薄膜晶体管的有源层(activelayer)。可使用PECVD将非晶娃沉积于薄膜中。可通过将a_Si层暴露到高强度的紫外线激光脉冲中来产生低温多晶硅(LTPS)，所述激光脉冲快速熔化所沉积的a-Si层而不会加热底层基板。a-Si层随后结晶成晶粒，所述晶粒的大小取决于在处理期间的温度梯度。LTPS层的典型迀移率的数量级为约50-150cm2/V-sec，这优于与a-Si相关的迀移率0.5cm2/V-Sec0
[0005]常规的LTPS处理是基于使用准分子激光进行的表面处理或所谓的准分子层退火(ELA)。在ELA中，线型、大致均一的激光束(通常为308nm)作为具有约25ns的持续时间的一系列脉冲被导引至被加热并熔化的a-Si层。所述熔化层随后再结晶，以形成多晶硅(P-Si)的层。激光脉冲能量和光束均一性必须被精确控制。目标a-Si层的每一区域均被暴露于若干准分子激光脉冲，并且还重复加热、熔化和再结晶过程。所得LTPS层展现出结晶区域的矩形阵列，如图1A-1B中所示。对于大部分薄膜晶体管(TFT)底板来说，处理通常以产生尺寸为约300nm的结晶区域或“晶粒”为目的。
[0006]准分子激光作为生产装备是复杂的并且是昂贵的。即使是最佳的准分子激光仍倾向于具有极有限的使用寿命，并且替换准分子激光腔及其相关的光学组件可能具有破坏性并且是昂贵的。虽然可获得令人满意的结果，但与ELA相关的总处理成本仍然很高。
【发明内容】
[0007]可使用处于可见光波长下的短光学脉冲来产生用于有源矩阵显示器的高迀移率P-Si TFT底板。可使用在532nm处发射的脉冲式光纤激光器，以产生具有超过100cm2/V-s的电子迀移率的随机取向型硅晶粒。
[0008]处理基板的代表性方法包括:基于来自光纤激光器的重复激光脉冲来产生光学直线光束，所述重复激光脉冲具有在约IkHz与IMHz之间的重复频率且具有小于约25ns的脉冲持续时间。扫描包含硅层的基板和光学直线光束中的至少一者以便在所述硅层中产生硅晶粒，从而使得所述经处理的硅层具有至少约50cm2/V-sec的迀移率。在代表性的实例中，激光脉冲具有约532nm的波长，并且重复频率在约10kHz与200kHz之间。通常，激光脉冲持续时间小于约1ns或1.5ns。在一些实例中，经处理的娃层具有至少约50cm2/V_s或至少约lOOcmVV-s的迀移率。在一些实施方案中，经处理的硅层具有平均晶粒大小在约200nm与500nm之间的硅晶粒，且所述硅晶粒随机取向。在一些实例中，有效能量密度在约20mJ/cm2与200mJ/cm2之间。在其它实施方案中，激光脉冲经处理以产生频谱增强脉冲，其中脉冲能量的至少约10%发生频率移位，并且频谱增强脉冲被导引至基板。在一些实施方案中，通过多模光纤中的拉曼散射来产生频谱增强脉冲，并且脉冲能量的至少约25%发生频率移位。根据其它实例，多个相位延迟被应用于重复激光脉冲的不同部分，并且使用经相位延迟的且频谱增强的光学脉冲来形成直线光束。
[0009]激光退火系统包括脉冲式激光器，所述脉冲式激光器经配置以提供在1kHz与IMHz之间的重复率下具有小于1ns的脉冲持续时间的激光脉冲。光学系统经配置以接收激光脉冲并产生直线光束。扫描组件经配置以使得直线光束和基板相对于彼此而移动，从而使得直线光束沿基板表面进行扫描，其中直线光束区域经选择以使得重复激光脉冲在基板表面上产生a-Si层的重复熔化。在典型的实例中，激光脉冲具有在约0.5与2ns之间的持续时间，脉冲重复率在70与120kHz之间，脉冲波长为532nm，并且脉冲能量在约10与100 μ J之间。在一些实例中，激光脉冲频谱增强器经配置以接收激光脉冲并基于多模光纤的拉曼散射来产生频谱展宽脉冲。在其它实例中，包含至少两个反射表面的阶梯式反射镜组件经配置以提供不同激光脉冲部分之间的相位延迟，其中所述相位延迟基于反射表面间距。在典型的实施例中，相位延迟对应于至少10mm、25mm、40mm或50mm的反射表面间距。
[0010]处理硅层的方法包括:将硅层暴露于波长为约532nm的多个激光脉冲，以形成尺寸在约200nm与400nm之间且在娃层中的迀移率为至少50cm2/V_s的实质上随机取向型结晶硅粒。处理经暴露的硅层以限定薄膜晶体管。在一些实例中，使用脉冲式光纤激光器来产生激光脉冲，所述脉冲式光纤激光器产生具有在约0.5ns与2ns之间的持续时间的激光脉冲，且所述激光脉冲在暴露硅层之前进行拉曼散射以产生频谱增强脉冲。采用了液晶(LCD)或有机发光二极管(OLED)的有源矩阵显示器包含按照上文所述被处理的硅层。
[0011]所述技术的前述的和其它的目标、特征及优点将因以下详细描述而变得更加明显，以下详细描述参考附图进行。
【附图说明】
[0012]图1A-1B说明代表性的常规准分子激光退火的(ELA) LTPS基板。
[0013]图2是包含脉冲式光纤激光器的代表性处理系统的框图。
[0014]图3-4说明使用设备例如图2中示出的设备处理的代表性a-Si基板。
[0015]图5是包含多模光纤的激光系统的框图，所述多模光纤经配置以基于拉曼散射来展宽激光脉冲频谱。
[0016]图6A-6B说明基于长度为1m并且具有50 μ m芯直径的多模光纤中的拉曼散射所实现的提高的光束均一性。图6A说明与种子激光器相关的输出强度分布，并且图6B说明使用耦合到多模光纤的脉冲式激光束(其偏离芯中心并具有约5.9W的激光功率)所实现的输出强度分布，所述输出强度分布表明通过拉曼散射实现的强度均一1性改善。
[0017]图7A是拉曼转换效率作为使用长度为5m和1m的50 μ m芯光纤所实现的输入端平均功率的函数的曲线图。
[0018]图7B是拉曼转换效率作为使用长度为5m和1m的50 μ m芯光纤所实现的输入端峰值功率的函数的曲线图。
[0019]图8A-8B说明基于长度为1m并且具有25 μ m芯直径和250 μ m包层直径的多模光纤中的拉曼散射所实现的提高的光束均一性。图8A说明与种子激光器相关的输出强度分布，并且图8B说明使用耦合到多模光纤的脉冲式激光束(其具有约5.5W的激光平均功率)所实现的输出强度分布，所述输出强度分布表明由拉曼散射所提供的光束改善。
[0020]图9说明阶梯式反射器的布置情况，所述阶梯式反射器被设置以减小光束空间相干性。
[0021]图10说明两个反射器的布置情况，所述反射器被设置以减小光束空间相干性。
[0022]图11A-11B分别说明使用具有15mm和50mm间距的阶梯式反射器所实现的干涉效应的减小。
[0023]图12说明基于梳状滤波器(interleaver)和漫射器来减小光束相干性的系统，所述梳状滤波器被设置以合并多个光束，并且所述漫射器位于光束焦点处。
[0024]图13是用于减小光束干涉效应的光学系统，其包含蝇眼透镜。
[0025]图14是使用脉冲式光纤激光器来处理硅层的代表性方法的框图。
【具体实施方式】
[0026]在代表性实施方案的上下文中呈现以下公开内容，所述代表性实施方案不应解释为以任何方式进行限制。本公开内容涉及各种所公开实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，其单独存在以及以各种组合和彼此的子组合的形式存在。所公开的方法、设备和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，并且所公开的实施方案也不要求应存在任何一个或多个特定优点或应解决问题。
[0027]虽然为了便于呈现而以特定的顺序来描述所公开的方法的操作，但应理解，除非下文所陈述的具体语言要求特定排序，否则这种描述方式涵盖对操作的重新排列。举例来说，在一些情况下，可重新排列或同时进行被顺序描述的操作。此外，为简单起见，附图可能并未示出其中可以结合其它物件和方法来使用所公开的系统、方法和设备的各种方式。