具有多种照射图形的单步半导体处理系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高生产量系统和在低温下沉积到衬底上的薄膜半导体的再结晶工艺。用激光光束照射薄膜半导体工件来熔化和再结晶暴露在激光光束的表面目标区域。使用图形掩模，使激光光束成形为一个或多个波束。掩模图形具有合适的尺寸和方向来图形化激光光束照射，使得由波束对准的区域具有传导到半导体再结晶的尺寸和方向。在高速条件下工件沿着相对应激光光束的线性路径机械地平移来处理工件的表面。位置灵敏的触发激光可被用于产生激光脉冲，来熔化和再结晶电动平台上平移的工件时精确地位于工件表面上的半导体材料。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求于2002年8月19日提交的相关申请的交叉参考，申请号为No.60/404,447的美国专利申请为优先权。
技术介绍
本专利技术涉及一种半导体工艺方法，更具体地，涉及形成适合于制造薄膜晶体管(“TFT”)器件形态的半导体材料。平板显示器和其它显示单元用作视觉图像界面，用于普通和普遍存在的电子器件和应用，例如计算机、图像传感器和电视装置。例如，由置于玻璃或塑料衬底上的液晶薄膜和半导体材料制造显示器。每一个显示器在液晶层中由图像元件(像素)的阵列(或矩阵)组成。成千上万的这些像素一起构成显示器上的图像。在半导体材料层中制造的TFT器件用做开关以单独地“接通”(亮)或“断开”(暗)每一个像素。用于制造TFT的半导体材料，传统地是非晶硅或多晶硅薄膜。考虑到所使用的低熔化温度的衬底材料(例如，玻璃或塑料)，通过物理或化学工艺以相对低的沉积温度将这些膜沉积在衬底上。相对低的沉积温度降低了沉积的硅薄膜的结晶性并使它们成为非晶或多晶。不幸地，在硅薄膜中制造的TFT的器件特性一般不希望与硅薄膜的非结晶性成比例的降低。好的结晶质量的硅薄膜期望应用于工业TFT器件。在低温下沉积在衬底上的硅薄膜的结晶性可通过激光退火有效的提升。例如，Maegawa等人的美国专利5,766,989描述了应用受激准分子激光退火(“ELA”)将在低温下沉积的非晶硅薄膜处理成用于LCD的多晶硅薄膜。但是，传统的ELA工艺由于退火的薄膜的晶粒尺寸没有工业应用足够的均一性，所以至少部分上不能完全满意。在退火薄膜中的晶粒尺寸的非均一性与在ELA工艺中扫描薄膜使用的激光光束的光束形状有关。Im等人的美国专利6,573,531和6,322,625下文中，分别为“‘531专利”和“‘625专利”)，在此整体引入二者作为参考，描述激光退火设备和提高的用于产生大晶粒多晶硅或单晶硅结构的工艺。在这些专利中描述的激光退火工艺包括通过激光照射熔化的薄膜的目标部分控制的再固化。薄膜可以是金属或半导体材料(例如，硅)。调制入射到硅薄膜上的一组激光脉冲的流量来控制硅薄膜目标部分熔化的范围。然后，在入射的激光波束脉冲之间，通过目标硅薄膜的轻微物理传送使目标部分的位置移位来促使外延侧向固化。该所谓的侧向固化工艺有利地传递初始熔化的目标部分的晶体结构到大尺寸的晶粒。用于加工的设备包括受激准分子激光器、光束流量调制器、光束聚焦透镜、图形掩模和用于在激光光束照射之间或期间用来移动目标薄膜的电动传送平台(参见例如，‘531专利图1，在此复制)。现在考虑进一步提高半导体薄膜的激光退火工艺的方式，并且具体是用于薄膜的再结晶。将注意力直接指向设备和工艺技术，例如，在生产平板显示器中通过既提高退火工艺又增加设备产量的应用。专利技术概要本专利技术提供了再结晶非晶或多晶半导体薄膜的系统和方法，来提高它们的结晶质量并由此使得它们更适合于器件应用。设计系统和工艺使得可以快速处理大表面区域的半导体薄膜。半导体薄膜的目标区域可计划给全部或部分半导体器件结构。例如，目标区域可计划用于半导体器件的有源区域。目标区域通过激光光束照射处理来使它们再结晶。使目标区域暴露到具有足够密度或流量的激光光束来熔化目标区域中的半导体材料。可使用单步激光光束曝光，当激光光束从目标区域关闭或移开时使熔化的半导体材料再结晶。半导体薄膜表面上的区域中的大量的目标区域可通过使用图形化的激光照射同时处理。可以展开投影掩模合适地图形化激光光束。掩模将激光光束分为许多的波束，该波束入射在半导体薄膜表面区域中的相应数量的目标区域上。每一个波束具有足够的流量来熔化(波束)入射在其上的目标区域中的半导体材料。波束的面积可考虑到目标区域所希望的尺寸和可有效再结晶的半导体材料的量而选择。典型的波束面积和相应的目标区域的面积可大约0.5微米级或更小微米。用于图形化激光光束照射的示例性掩模具有大许多彼此平行的长方形狭缝。使用该掩模，入射激光光束可分为多个平行的波束。相应于这些波束的目标区域被分配到相似的平行图形中的表面区域中。另一示例性掩模具有许多设置在一组平行的长方形图形中的长方形狭缝和直角狭缝。例如，狭缝沿着正方形的两边成对地排列。使用该掩模，合成的照射波束和相应的目标区域还分配在相似的长方形图形中(例如，一组平行且直角的目标区域中)。激光光束可扫描或步进穿过半导体薄膜表面来连续地处理只有重复图形的目标区域表面的所有区域。相反地，出于相同的目的半导体薄膜可相对于固定方向的激光光束移动。在专利技术的一个实施例中，使用电动线性传送平台相对于在线性X-Y路径上的光束移动半导体薄膜，使得半导体薄膜的所有表面区域可暴露于激光光束照射。在处理期间平台能连续移动跨过半导体薄膜的宽度或能从一个区域步进到另一个区域。对于一些器件应用，在一个区域中的目标区域可邻接下一区域中的目标区域使得延伸条的半导体材料能被再结晶。邻接目标区域的再结晶可有利于熔化的目标区域顺序地侧向固化。对于其它的器件应用，目标区域可几何地与邻近的区域中的目标区域隔开。目标区域照射的激光波束脉冲的产生可与线性传送平台的运动同步，使得激光光束能入射到几何精确的指定的目标区域上。产生激光脉冲的时机可标为支撑半导体薄膜的传送平台的位置。标记可响应其指出平台位置的实际时间的位置传感器出现，或以薄膜半导体上面的几何栅格的计算的坐标为基础。 附图说明本专利技术的进一步特征、性质和多种优点在下面优选实施例的详细描述和附图中将更清楚，其中相同的参考符号始终代表相同的元件，其中图1是用来再结晶半导体薄膜的激光退火的半导体工艺系统的方框图和示意图；图2是薄膜硅工件样品的上分解图；图3a和3b是基于本专利技术原理的掩模样品的上视图；图4是根据本专利技术原理使用图3a的掩模进行处理的图2中的薄膜硅工件一部分的示意图；图5是根据本专利技术原理使用图3b的掩模进行处理的图示范性处理了的薄膜硅工件的示意图；和图6是说明根据本专利技术的原理使用几何图形的坐标来触发入射在薄膜硅工件上的辐射脉冲的示意图。具体实施例方式本专利技术提供了通过激光退火使半导体薄膜再结晶的工艺和系统来。再结晶半导体薄膜的工艺包括激光束一次照射到半导体薄膜工件的区域。系统将激光束引到半导体薄膜上的区域或点。入射的激光束具有足够的密度或流量来熔化激光束入射到的半导体薄膜区域或点上的目标部分。目标入射区域或部分熔化之后，激光束移动或步进到半导体薄膜上的另一个区域或点。当入射的激光束移开时熔化了的半导体材料再结晶。激光束在半导体薄膜上的点上的停留时间可能足够的小，使得整个半导体薄膜工件再结晶可以快速高生产率的完成。为使得在此描述的专利技术能被完全理解，在上下文中的硅薄膜的激光退火在后面的说明中提出。退火后的硅薄膜可被有意的用于示范性TFT器件应用中。然而将明白本专利技术相同地可用于其它类型的材料和或其它类型的器件应用。在此，参考图1-6来描述本专利技术的实施例。在此薄膜硅工件(参见例如，工件170，图2和4-6)用做说明性的工件。例如，工件170可以是使用在平板显示器中沉积在玻璃或塑料衬底上的非晶或随机晶粒的多晶硅薄膜。例如，硅薄膜的厚度可以是大约100埃到大于5000埃的范围内。而且，在图1中所示的激光退火设备1000的上下文中描述了本专利技术，其通过在此结合作为参考的专利‘531中公开。使用该设备仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高半导体薄膜结晶质量的再结晶方法，包括下述步骤：（ａ）利用一辐射束脉冲照射半导体薄膜表面的第一区域，其中所述辐射束首先被图形化成一波束图形中的至少一个波束，其中每个波束入射到第一区域中的目标区域上，每个波束具有足够的流量来熔化 其所入射的目标区域中的半导体材料，并且在所述目标区域中熔化的半导体材料当它不再暴露于所述入射波束时再结晶；并且（ｂ）相对于所述辐射束，连续地平移半导体薄膜，使得以与步骤（ａ）相同的方式照射半导体薄膜表面的下一个区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-8-19 60/404,4471.一种提高半导体薄膜结晶质量的再结晶方法，包括下述步骤(a)利用一辐射束脉冲照射半导体薄膜表面的第一区域，其中所述辐射束首先被图形化成一波束图形中的至少一个波束，其中每个波束入射到第一区域中的目标区域上，每个波束具有足够的流量来熔化其所入射的目标区域中的半导体材料，并且在所述目标区域中熔化的半导体材料当它不再暴露于所述入射波束时再结晶；并且(b)相对于所述辐射束，连续地平移半导体薄膜，使得以与步骤(a)相同的方式照射半导体薄膜表面的下一个区域。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波束具有微米级的截面面积。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括利用一掩模从所述辐射束脉冲图形化得到所述波束的步骤。4.如权利要求3的方法，其特征在于，所述掩模包括阻挡部分，用于阻挡入射在其上的辐射从中通过；布置成一图形的多个狭缝，所述狭缝允许入射在它们上的辐射从中通过，并且所述狭缝在所述图形中设置为彼此基本平行。5.如权利要求3的方法，其特征在于，所述掩模包括阻挡部分，用于阻挡入射在其上的辐射从中通过；布置成一图形的多个狭缝，所述狭缝允许入射在它们上的辐射从中通过，并且所述狭缝在所述图形中沿着长方形的两边成对布置。6.如权利要求1的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤在一移动平台上支撑所述半导体薄膜，并且相对于所述辐射束平移半导体薄膜的所述步骤包括沿着一线形路径将所述可移动平台移到下一个区域。7.如权利要求6的方法，其特征在于，所述半导体薄膜包括行区域，并且所述方法进一步包括下述步骤沿着所述线形路径，移动所述可移动平台穿过半导体薄膜表面上的第一行区域。8.如权利要求7的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：JS艾姆，
申请(专利权)人：纽约市哥伦比亚大学托管会，
类型：发明
国别省市：US[美国]