专利名称：晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及多晶硅，特别是一种晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜的制备及检测 装置，用以快捷、实时地检测多晶硅薄膜结晶晶粒的粒度，从而调整激光晶化所需 的最佳能量密度。
背景技术：
激光晶化作为低温多晶硅(LTPS)技术的核心工艺，在液晶显示(LCD)领域 中有良好的应用前景。激光晶化的原理是用激光对低温沉积的非晶硅薄膜扫描使其 熔融，重新结晶成为多晶硅薄膜。与目前所用的非晶硅薄膜液晶面板相比，多晶硅 薄膜液晶面板成本较为便宜，且具有更高的解析度，这是因为电子在多晶硅中的传 输速度更快、品质更为优良，因而可以使薄膜电晶体的尺寸更小，增加显示器的亮 度并减少功率消耗。
目前比较常用的是准分子激光晶化(excimer laser crystallization)技术，可实现
较大规模多晶硅薄膜的制备。但是该技术也有着很大的缺点，如设备昂贵、工艺的 重复性较差、晶化度对能量密度变化敏感等。有研究表明，晶粒增大会使晶界缺陷 减少，多晶硅薄膜器件的导电性能也得到提高。为了获得更大晶粒、高质量的多晶 硅薄膜，近来一些研究人员利用绿光激光器(主要是倍频的钕激光)制备多晶硅薄 膜，制作的薄膜晶体管性能已远超出准分子激光晶化的水平。
如上所述，多晶硅薄膜的粒度对激光能量密度变化很敏感。而且由于准分子激光 的输出功率不稳定，导致形成的多晶硅薄膜的粒度明显不均匀。这导致所制备的多 晶硅薄膜不一定具有足够大的晶粒尺寸，达不到迁移率要求从而被抛弃。
生产中需要一种客观评估多晶硅薄膜的方法，用以测定多晶硅薄膜的粒度是否达 到要求。传统上利用高倍率的光学显微镜观测薄膜表面粗糙度，但这种方法依赖于 肉眼，不够客观精确。除此之外，扫描电子显微镜(SEM)图像虽然是一种比较直观 的方法，由操作员对退火后的薄膜表面图像直接观测并进行评估。然而，由于这种 检测方法对薄膜具有破坏性，而且成本较高费时，所以主要用于科研实验而不适用 于产业。发明内容
本实用新型的目的在于为了弥补上述现有技术的不足，提供一种晶粒尺寸可控 的多晶硅薄膜的制备及检测装置，达到实时在线检测多晶硅薄膜晶粒的大小，并随 之调整多晶化所需的激光最佳能量密度，有效地控制多晶硅薄膜的多晶硅的晶粒尺
寸°
本实用新型的技术解决方案如下
一种晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特点是由激光源、分光器、 光束整形系统、多晶硅薄膜基片、光学聚焦系统、受激拉曼光谱接收系统、拉曼数 据分析并反馈系统和移动工作台组成，各部件的位置关系如下所述的多晶硅薄膜 基片置于所述的移动工作台上，所述的激光源输出的激光束被分光器分成第一光束 和第二光束，所述的第一光束经光束整形系统后扫描在移动工作台上的多晶硅薄膜 基片进行激光退火，所述的第二光束经所述的光学聚焦系统照射在经过激光退火的 多晶硅薄膜基片，激发已退火的多晶硅的拉曼光谱并被所述的受激拉曼光谱接收系 统接收，然后由拉曼数据分析并反馈系统进行数据处理并反馈至激光源控制激光源 输出激光的功率，以调整激光能量密度及其稳定性。
所述的光束整形系统把第一光束整形成为光强均匀分布的条状光束。 所述的光学聚焦系统将第二光束聚焦于已退火的多晶硅薄膜，光斑尺寸0.5~1.5
y m。
所述的激光源为脉冲激光器或连续激光器，波长范围266 1064nm; 所述的第一光束与第二光束的分光比为95 80%: 5 20%。 所述的拉曼光谱接收系统对所述的激光源波长范围的光谱接收灵敏，有较好的 荧光屏蔽效果。
所述的拉曼数据分析及反馈系统是一台计算机，对由拉曼光谱接收系统送入的 数据进行数据处理，并根据处理的结果显示相应的TO峰峰位、半高宽和晶粒大小， 向激光源输出相应的控制信号调整激光输出功率。
所述的基片是玻璃基底。
本实用新型的原理是利用多晶硅薄膜拉曼光谱的特征参量与退火激光能量密度 的对应关系，经由量化而得到一判断指标，从而可以实时在线检测晶粒的大小，并 随之调整多晶化所需的最佳能量密度。我们知道受激拉曼光谱是获得物质结构信息的一种重要手段，本实用新型中 描述的激光拉曼光谱可以较精确地研究非晶硅薄膜和纳晶硅薄膜的微观结构，如多 晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶度等。有研究表明，晶粒大小和拉曼光谱特征(TO主峰 的位置和半高宽)有明确的对应关系。晶粒越大，结晶度越高，拉曼谱的TO峰位
置越接近单晶硅的特征峰位(520cm4)，且TO峰的半高宽(FWHM)也越小。人们总结 了一些公式来描述TO峰位置与晶粒尺寸的关系。如Ad-2^f^等，其中Ad为
晶粒大小，A"TO为多晶硅TO峰位与单晶硅特征峰位520cm"的差距，B为常数。 (公开文献上有发表，参见如冯团辉，张宇翔，王海燕等，a-Si:H薄膜的再结晶技术 及Si膜的Raman光谱分析，材料科学与工程学报，2005， 23(3):463~465)。以此规 律为依据，可以采集一系列不同能量密度激光退火的多晶硅薄膜的受激拉曼谱，并 依次标定其特征峰位置和半高宽。选出其中峰位最接近520cm—1及半高宽最窄的那个 能量密度值。然后以此为既定能量密度对基片进行退火。此既定能量密度退火的多 晶硅薄膜可以较好地符合多晶硅粒度要求。 本实用新型的技术效果
本实用新型中用于检测多晶硅薄膜品质的装置，可以用非接触方式高精度客观 的评估多晶硅薄膜的晶粒尺寸，确定最佳退火的能量密度，并且及时调整用于硅晶 化的激光能量密度。
图1为本实用新型晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置示意图。 图中
l一激光器2 —分束器3—第一光束4一光束整形系统5 —多晶硅薄膜基 片6—第二光束7—光学聚焦系统8—拉曼光谱接收系统9一拉曼光谱数据分 析及反馈系统
图中实线表示光路，虚线仅示线路或连接关系。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新 型的保护范围。
先请参阅图1，图1为本实用新型晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置 示意图，由图可见，本实用新型晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置，由激:光源l、分光器2、光束整形系统4、多晶硅薄膜基片5、光学聚焦系统7、受激拉 曼光谱接收系统8、拉曼数据分析并反馈系统9和移动工作台组成，各部件的位置 关系如下所述的多晶硅薄膜基片5置于所述的移动工作台上，所述的激光源l输 出的激光束被分光器2分成第一光束3和第二光束6，所述的第一光束3经光束整 形系统4后扫描在移动工作台上的多晶硅薄膜基片5进行激光退火，所述的第二光 束6经所述的光学聚焦系统7照射在经过激光退火的多晶硅薄膜基片5，激发已退 火的多晶硅的拉曼光谱并被所述的受激拉曼光谱接收系统8接收，然后由拉曼数据 分析并反馈系统9进行数据处理并反馈至激光源1，控制激光源1输出激光的功率， 以调整激光能量密度及其稳定性。
本实用新型中是基于退火多晶硅薄膜受激拉曼谱的TO峰位随半高宽与晶粒尺 寸的变化关系，通过分析薄膜的拉曼光谱，可以确定最大晶粒尺寸所对应的激光能 量密度。具体实施步骤如下
1、 退火激光源1为二倍频的Nd:YAG脉冲激光器(波长532nm)，脉宽30ns; 经分光器2后的第一光束3和第二光束6的强度比为90%: 10%;
2、 提供一低温沉积了非晶硅薄膜的基片5，放置于可移动的工作台上；本实 例中的衬底为厚度Umm的康宁1737玻璃，通过等离子增强化学气相沉积(PECVD) 的方法，在衬底上依次沉积200nm的Si02和100nm非晶硅薄膜；3、 激光经分光器的第一光束3，经光束整形系统4后变成一光强均匀分布的 条形光束，此光束以一系列不同的能量密度对所述的非晶硅薄膜的不同区域进行扫 描退火处理，举例而言，从100mJ/cn^ 1000mJ/en^范围中选取不同能量密度，如 选取200mJ/cm2、 300mJ/cm2、 400mJ/cm2、 500mJ/cm2、 600mJ/cm2、 700mJ/cm2、 800mJ/cm2、 900mJ/cm2;
4、 停止扫描，由拉曼光谱接收系统8分别检测由激光第二光束6激发的拉曼 光谱，这些光谱分别对应于如上退火所用的不同能量密度；
5、 由拉曼光谱数据分析及反馈系统9对接收到的拉曼光谱的特征参量进行分
析，分别记录TO峰位置与半高宽值，由公式AJ = 2;rj」一计算其晶粒大小，并确
A r。
定出现最大粒度多晶硅粒所对应的激光能量密度。实验表明，以能量密度600mJ/cm2 的激光实施退火处理的多晶硅薄膜具有相对最大的晶粒尺寸(400nm)。
6、 以上述确定的出现最大粒度多晶硅粒所对应的激光能量密度(600mJ/cm2)对另一衬底进行扫描退火晶化处理。对拉曼谱的接收测试可随时进行，当晶粒尺寸 不符合要求，如粒度小于300nm时，计算机9根据软件程序的规定提出警告并反馈 误差，使操作人员对激光能量密度作出相应调整。
与现有技术相比，本实用新型装置可以为多晶硅薄膜的制备的同时进行在线检 测，为多晶硅薄膜的制备提供最佳的能量密度，所述的检测为非破坏性测试，具有 测试成本低、检测快捷等优点；更重要的是，本装置可以精确地检测多晶硅薄膜的 粒度，提高优良率并增加产能。
权利要求1、一种晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于由激光源(1)、分光器(2)、光束整形系统(4)、多晶硅薄膜基片(5)、光学聚焦系统(7)、受激拉曼光谱接收系统(8)、拉曼数据分析并反馈系统(9)和移动工作台组成，各部件的位置关系如下所述的多晶硅薄膜基片(5)置于所述的移动工作台上，所述的激光源(1)输出的激光束被分光器(2)分成第一光束(3)和第二光束(6)，所述的第一光束(3)经光束整形系统(4)后扫描在移动工作台上的多晶硅薄膜基片(5)进行激光退火，所述的第二光束(6)经所述的光学聚焦系统(7)照射在经过激光退火的多晶硅薄膜基片(5)，激发已退火的多晶硅的拉曼光谱并被所述的受激拉曼光谱接收系统(8)接收，然后由拉曼数据分析并反馈系统(9)进行数据处理并反馈至激光源(1)，控制激光源(1)输出激光的功率，以调整激光能量密度及其稳定性。
2、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的光束 整形系统(4)把第一光束整形成为光强均匀分布的条状光束。
3、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的光学 聚焦系统(7)将第二光束(6)聚焦于已退火的多晶硅薄膜，光斑尺寸0.5 1.5um。
4、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的激光 源(1)为脉冲激光器或连续激光器，波长范围266 1064nm;
5、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的第一 光束(3)与第二光束(6)的分光比为95 80%: 5~20%。
6、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的拉曼 光谱接收系统(8)对所述的激光源(1)波长范围的光谱接收灵敏，有较好的荧光 屏蔽效果。
7、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在于所述的拉曼 数据分析及反馈系统(9)是一台计算机，对由拉曼光谱接收系统(8)送入的数据 进行数据处理，并根据处理的结果显示相应的TO峰峰位、半高宽和晶粒大小。
8、 根据权利要求1至7任一项所述的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特征在 于所述的基片是玻璃基底。
专利摘要一种晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制备及检测装置，其特点是由激光源、分光器、光束整形系统、多晶硅薄膜基片、光学聚焦系统、受激拉曼光谱接收系统、拉曼数据分析并反馈系统和移动工作台组成，本实用新型可以为多晶硅薄膜的制备的同时进行在线检测，为多晶硅薄膜的制备提供最佳的能量密度，所述的检测为非破坏性测试，具有测试成本低、检测快捷等优点；更重要的是，本装置可以精确地检测多晶硅薄膜的粒度，提高优良率并增加产能。适用于产业化多晶硅薄膜的制备和实时检测，可精确检测晶粒大小并对激光能量密度实时监控。
文档编号C30B28/00GK201165564SQ200820055759
公开日2008年12月17日 申请日期2008年2月27日 优先权日2008年2月27日
发明者军 周, 楼祺洪, 董景星, 袁志军, 赵宏明, 魏运荣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所