结晶膜以及利用激光制造结晶膜的方法技术

一种多晶膜制造方法，包括以下步骤：　　　　（ａ）制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；　　　　（ｂ）向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固，以在沿光束入射区域的长轴方向延伸的第一带状区域内形成晶粒，该第一带状区域位于光束入射区域中处于其中心线与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一段距离，该晶粒沿长轴方向排成链。（*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】
本专利技术涉及多晶膜制造方法以及结晶膜，特别是涉及通过向非晶态膜照射激光束来使其结晶的结晶膜制造方法以及由此方法制造的结晶膜。结晶膜可被用于低温多晶TFT液晶显示器、太阳能电池板、纸型液晶显示器和有机EL显示器等。
技术介绍
连续横向固化(SLS)技术是已知的，它包括向非晶硅薄膜施加受激准分子激光以使其反复熔融和凝固并在横向(薄膜的面内方向)生长晶体。下面对传统SLS技术进行详细描述。脉冲激光束在其横截面被制成细长形之后穿过例如约3-30μm宽、100μm长的缝隙。穿过缝隙的脉冲激光束被导入光学聚焦系统，光学聚焦系统将缝隙聚焦在非晶硅薄膜的表面上。脉冲激光束变成入射到非晶硅膜上。此光学聚焦系统的放大倍数为例如1/3。激光束在非晶硅膜表面上的照射区域宽约1-10μm，长约33μm。照射区域的光束强度分布沿宽度方向大约呈矩形。当激光束变成入射到非晶硅膜上时，非晶硅熔融。由于接近熔融区边界处的冷却速度比熔融区内部快，凝固是从边界附近开始的。凝固区域变成一晶核，从而晶体由此晶核向熔融区内部生长。由于晶体生长开始于照射区域的两个较长侧的边界，在照射区域的中心附近形成一个沿其宽度方向位于从两个边界开始生长的晶粒之间的晶粒边界。通过沿宽度方向将脉冲激光束入射区域移动大约该宽度的50％来施加第二脉冲激光束。在由第一脉冲激光束在照射区域的中心附近形成的晶粒边界的一侧的一个区域被再次熔融。此区域内未再次熔融的晶粒变成籽晶，由此晶体在再熔融区域生长。通过在移动脉冲激光束的入射区域的同时反复进行激光照射，可以沿照射方向的移动方向生长晶体。下列文献1-3公开了使用Nd:YAG二次谐波激光、光束截面呈直线型以及激光束被施加于非晶硅层上以沿横向生长晶体等技术。下列文献4和5公开了使用受激准分子激光器以及通过图案掩膜将激光束施加于非晶硅层上以沿横向生长晶体等技术。(文献1)JPA-2000-260731(文献2)JPA-2000-286195(文献3)JPA-2000-286211(文献4)JPA-2000-505241(文献5)JPA-2001-274088迄今为止，人们一直期望掌握形成大晶粒的技术。本专利技术的目的是提供一种横向生长晶体的新技术。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(b)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使薄膜凝固，以在沿光束入射区域的长轴方向延伸的第一带状区域内形成晶粒，所述第一带状区域位于该光束入射区域中处于其中心线和沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一段距离，该晶粒沿长轴方向排成链。根据本专利技术的另一方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤(i)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(j)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使所述薄膜凝固和多晶化，在这样的条件下施加脉冲激光束，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与所述沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第一带状区域之内、晶粒沿长轴方向排成链、而且在中心线一侧的第一带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第一带状区域内产生的晶粒接触，其中在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，沿光束入射区域的短轴方向的脉冲激光束的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。根据本专利技术的另一方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤(p)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(q)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使薄膜凝固和多晶化，该脉冲激光束具有这样的光束分布，其中熔融区域的边界处的脉冲激光束的脉冲能量密度梯度为280mJ/cm2/μm或更小。通过在上述条件下进行脉冲激光束照射，可以获得大晶粒。附图说明图1是本专利技术的实施例所使用的激光退火系统的示意性平面图。图2A是一工件的横截面视图和第一实施例所使用的脉冲激光在工件表面上的脉冲能量密度分布图，图2B是一个多晶化工件的平面示意性平面图。图3是根据第一实施例的方法制造的多晶膜的SEM照片的草图。图4A是熔融硅的温度与晶体生长速度的关系图，图4B是温度与晶核形成率(晶核形成因子)的关系图。图5A是光束截面的宽度与晶粒尺寸(粒径)之间的关系图，图5B是脉冲能量密度分布梯度与晶粒尺寸之间的关系图。图6是脉冲宽度与晶粒尺寸之间的关系图。图7是当两道脉冲激光束施加于同一区域时激光束波形的一例子的视图。图8A-8G是在根据第二实施例的多晶膜制造方法的制造过程中的薄膜的横截面示意图。图9是根据第二实施例的方法制造的多晶膜的SEM照片的草图。图10是每道照射的晶体生长长度与使整个区域多晶化所需的重叠率之间的关系图。图11是波长与单晶硅和非晶硅的吸收系数的关系图。图12A是多晶化区域与根据第三实施例的多晶膜制造方法所使用的脉冲激光束的脉冲能量密度分布之间的关系图，图12B是所制造的多晶膜的示意图。图13A是多晶化区域与根据第四实施例的多晶膜制造方法所使用的脉冲激光束的脉冲能量密度分布之间的关系图，图13B是所制造的多晶膜的示意图。图14是一工件基底和一用于根据第五实施例的多晶薄膜制造方法所使用的光屏蔽板的横截面视图以及脉冲能量密度分布图。图15A-15C是示出了第五实施例的多晶膜制造方法中的多晶化如何进行的示意图。图16是一工件基底和一用于根据第六实施例的多晶薄膜制造方法所使用的光屏蔽板的横截面视图以及脉冲能量密度分布图。图17A-17C是示出了第六实施例的多晶膜制造方法中的多晶化如何进行的示意图。具体实施例方式图1是本专利技术的实施例所使用的激光退火系统的示意图。该激光退火系统包括处理室40、传送室82、转移室83和84、激光源71、均质器72、CCD摄像机88和视频监视器89。在处理室40上安装了一个直线运动机构60，它包括波纹管67、连接件63和65、线性导向机构64和线性马达66等。该直线运动机构60可以使位于处理室40中的工作台44进行平移运动。处理室40与传送室82通过闸门阀85相连，传送室82与转移室83通过闸门阀86相连，而传送室82与转移室84通过闸门阀87相连。处理室40和转移室83、84分别装有真空泵91、92和93，以使各个室的内部可以抽真空。传送室82内装有传送机械手94。传送机械手94将工件基底在处理室40和转移室83、84中的任意两室之间传送。穿过处理室40的上壁形成一个激光束传输石英窗38。除石英之外，也可以使用光学玻璃如BK7。从激光源71输出的脉冲激光束进入衰减器76，然后被输入均质器72。均质器72将激光束的横截面形成为细长形并将激光束的强度沿其纵轴均一化。穿过均质器72的激光束透过具有与光束截面相对应的形状的细长形石英窗38，并入射到保持在处理室40内的工作台44上的基底上。调整均质器72和基底的相对位置，以使基底表面与均质化的平面相一致。由直线运动机构60驱动的工作台44的平移运动方向与石英窗38的纵向垂直。因此，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多晶膜制造方法，包括以下步骤(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(b)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固，以在沿光束入射区域的长轴方向延伸的第一带状区域内形成晶粒，该第一带状区域位于光束入射区域中处于其中心线与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一段距离，该晶粒沿长轴方向排成链。2.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤(c)在以下条件下施加脉冲激光束，以使得脉冲激光束的入射位置沿该光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被完全熔融、以及与该晶粒接触的区域内的薄膜被熔融，以通过利用所述带状区域内的晶粒作为籽晶在该第一带状区域的两侧生长晶体。3.根据权利要求2所述的多晶膜制造方法，其特征在于在步骤(c)中，沿长轴方向排成链的晶粒在沿长轴方向延伸的第二带状区域内形成，该第二带状区域位于该中心线和该脉冲激光束的入射区域的运动方向前侧的边界之间的一区域中，该第二带状区域与该边界隔开一段距离，且与该第一带状区域隔开一段距离；以及该方法在步骤(c)后还包括下列步骤(d)通过沿短轴方向移动脉冲激光束的入射位置施加脉冲激光束，以使从第一带状区域向第二带状区域生长的晶粒与从第二带状区域向第一带状区域生长的晶粒发生接触。4.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤(d)在以下条件下施加脉冲激光束，从而使得脉冲激光束的入射位置沿光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被熔融、以及在位于该第一带状区域和与该光束入射区域的运动方向前侧的第一带状区域的前侧边界接触的区域之间的区域中将薄膜熔融，以在一熔融区域中生长晶体；其中在步骤(d)中，所述脉冲激光束在以下条件下施加，从而使得在位于第一带状区域之间的区域内形成的晶粒与在两边第一带状区域内形成的晶粒发生接触以及在位于光束入射区域运动方向前侧的第一带状区域的前侧的区域内形成的晶粒与在前侧的第一带状区域内形成的晶粒发生接触。5.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤(e)在以下条件下施加脉冲激光束，从而使得脉冲激光束的入射位置沿光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被熔融、以及在位于该第一带状区域和与该光束入射区域的运动方向前侧的第一带状区域的前侧边界接触的区域之间的区域中将薄膜熔融，以通过利用两边第一带状区域内形成的晶粒作为籽晶的方式在位于第一带状区域之间的熔融区域内生长晶体，使从两侧生长的晶粒彼此接触，并通过利用第一带状区域内形成的晶粒作为籽晶的方式在位于光束入射区域运动方向前侧的第一带状区域的前侧的熔融区域内生长晶体。6.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，所述薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。7.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，在施加了一道脉冲激光束之后，在熔融区域完全凝固之前在同一位置施加第二道脉冲激光束。8.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的第一带状区域的外边界处，在步骤(b)中施加的脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。9.根据权利要求8所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的第一带状区域的外边界处，在步骤(b)中施加的脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或大于10mJ/cm2/μm。10.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)中施加的脉冲激光束具有这样的脉冲能量密度分布，以使一个随机分布区域在该第一带状区域的部分外部区域内形成并与该第一带状区域接触，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒，且从所述随机分布区域与非晶态区域之间的边界到第一带状区域的距离设定为15μm或更长。11.一种多晶膜制造方法，包括以下步骤(i)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；以及(j)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固和多晶化，在以下条件下施加脉冲激光束，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第一带状区域之内、该晶粒沿长轴方向排成链、且在中心线一侧的第一带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第一带状区域产生的晶粒接触，其中在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，该脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。12.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，该脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或大于10mJ/cm2/μm。13.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)中，在施加了一道脉冲激光束之后，在熔融区域完全凝固之前又施加了第二道脉冲激光束。14.根据权利要求10所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)后还包括下列步骤(k)通过沿短轴方向移动脉冲激光束的入射位置继续向所述薄膜施加脉冲激光束，以使薄膜熔融然后凝固和多晶化，用来熔融和凝固的脉冲激光束在这样的条件下施加，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与所述沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第二带状区域之内、该晶粒沿长轴方向排成链、在中心线一侧的第二带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第二带状区域产生的晶粒发生接触、以及在移动方向后侧的第二带状区域内形成的晶粒与已经在移动方向后侧形成的晶粒发生接触。15.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，所述薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。16.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)中，一个随机分布区域在该第一带状区域的部分外部区域内形成并与该第一带状区域接触，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒，所施加的脉冲激光束具有这样的脉冲能量密度分布，以使从所述随机分布区域与非晶态区域之间的边界到第一带状区域的距离为15μm或更长。17.一种多...

【专利技术属性】
技术研发人员：工藤利雄，清家幸治，山崎和则，
申请(专利权)人：住友重机械工业株式会社，
类型：发明
国别省市：