第４０卷第３期 激 光 技 术 Ｖｏ１＿４０．Ｎｏ．３ ２０１６年５月 ＬＡＳＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｙ，２０１６ 文章编号：１００１—３８０６（２０１６）０３—０３８３·０５ 用于平板显示ＬＴＰＳ制备的ＥＬＡ光束整形系统 尹广碉，游利兵，方晓东 （中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥２３００３１） 摘要：介绍了多晶硅薄膜较非晶硅薄膜在平板显示领域的优势以及准分子激光晶化制备多晶硅膜的结晶过程。介 绍了透镜阵列实现匀光的原理。阐述了典型的准分子激光退火线型光束整形系统的扩束、匀光、投影等结构。并介绍了 连续横向固化技术在准分子激光制备低温多晶硅领域的应用。讨论了准分子激光退火光学系统的发展现状，指出了其 在平板显示行业的重要意义。 中图分类号：ＴＮ２０５ 文献标志码：Ａ 关键词：激光技术；平板显示；准分子激光退火；低温多晶硅；光束整形；匀光 ｄｏｉ：１０．７５ｌＯ／ｊｇｊｓ．ｉｓｓｎ．１００１—３８０６．２０１６．０３．０１７ ＥＬＡ—ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ＬＴＰＳ ＹＩＮ Ｇｕａｎｇｙｕｅ，ＹＯＵ Ｌｉｂｉｎｇ，ＦＡＮＧ Ｘｉａｏｄｏｎｇ （Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｔｏ ｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｏｗ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｌａｓｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅＭｉｎｇ（ＥＩＡ）ｌｉｎｅ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｂｅａｍ ｅｎｅｒｙ ｈｏｍｏｇｅｎｉｇｚｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｐｒｏｊｅｅｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｗａｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｉｎ ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｆｉａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ；ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ；ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ；ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ； ｂｅａｍ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ 引 言 示器有源驱动的核心部件，其电学性能决定了平板显 示器的响应速度、尺寸、所传递的信息量等。非晶硅 ＴＦＴ的制备成本低，但由于电子迁移率低，电学性能较 差；多晶硅ＴＦＴ与非晶硅ＴＦＴ比较，电子迁移率大幅 度提高，因而使用多晶硅ＴＦｖｒ的平板显示器具有响应 速度快、集成度高、可集成驱动电路于面板上等优点。 所以多晶硅在有源矩阵液晶显示器（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ ｌｉｑ— ｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ，ＡＭＬＣＤ）和有源有机电致发光显示 器（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ，ＡＭＯＬＥＤ） zP薄膜晶体管（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＴＦＴ）作为平板显 zz等应用中有巨大的潜力。 向为准分子激光技术。 制备多晶硅的主要方法分为直接法和间接法。直 接法主要有低压化学气相沉积和催化化学气相沉积； 作者简介：尹广明（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方 通讯联系人。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｄｆａｎｇ＠ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎ 收稿日期：２０１５—０３—２５；收到修改稿日期：２０１５—０４—０７ sgｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＴＰＳ）ｕｓｉｎｇ ｅｘｅｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ｎｎｅａｌｉｎｇ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＥＬＡ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ iol优良。 ePfrp１ ＥＬＡ结晶过程 问接法主要有固相晶化、快速热退火、金属诱导横向晶 化、微波晶化和准分子激光退火等¨Ｊ。其中准分子激 光退火（ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ，ＥＬＡ）方法属于低温多 晶硅（１ｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ，ＬＴＰＳ）制备技术。由 于准分子激光的脉宽窄，非晶硅薄膜的熔化再结晶过 程非常短，对基板造成的热伤害小，从而降低了结晶过 程对基板材质的要求，这使得价格低廉的玻璃和塑料 均可作为基板，降低了大规模工业生产的成本。虽然 存在着硅晶粒尺寸不均匀、晶界不规则等问题，但经过 准分子激光退火处理后得到的多晶硅电子迁移率可达 ｌＯＯｃｍ ／（Ｖ·Ｓ）～４００ｃｍ ／（Ｖ·Ｓ），较非晶硅的低于 １ｃｍ ／（Ｖ·ｓ）有数百倍的提高，因而其电学特性更加 辐射到非晶硅膜表面的准分子激光能量密度大体 可分为３种情况 。］：（１）耦合到样品的能量密度达到 样品熔化阈值，使非晶硅膜完全熔化，进而冷却时会出 现自发成核现象，晶粒分布较均匀，尺寸在１０ｎｍ— ３８４ 激 光 技 术 ２０１６年５月 ２０ｎｍ；（２）耦合到样品的能量密度达到样品熔化阈值， 但非晶硅膜未完全熔化，此时的结晶模式为分层结构， 晶粒随着激光能量的增加而增大，晶粒尺寸在几十到 几百纳米；（３）耦合到样品的能量密度达到样品熔化 阈值，非晶硅膜恰好完全熔化，在衬底与非晶硅交界面 上还留有少量固体硅颗粒，此时这些颗粒将作为籽晶 发生横向生长，称为超级横向生长（ｓｕｐｅｒ ｌａｔｅｒａｌ ｇｒｏｗｔｈ，ＳＬＧ），晶粒尺寸可达微米量级。 由于发生ＳＬＧ的能量密度窗口过窄，激光器的能 量稳定性达不到此要求，若激光能量密度发生微小的 波动，则会出现非晶硅膜的部分熔化和完全熔化，降低 了结晶的均匀性，因而出现了人工控制超级横向生长 技术（ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｕｐｅｒ ｌａｔｅｒａｌ ｇｒｏｗｔｈ，ＡＣＳＬＧ）。 ＡＣＳＬＧ人为地制造了完全熔化区域和部分熔化区域， 部分熔化区域的少量固体硅颗粒将作为籽晶向完全熔 化区域发生横向生长。ＡＣＳＬＧ除了可以获得大尺寸 较均匀的晶粒外，还可以对晶粒的位置进行精确控制，e 这种技术拓宽了ＳＬＧ的能量窗口Ｌ４ｊ。 １９９６年，哥伦比亚大学ＳＰＯＳＩＬＩ等人提出了连续 l横向固化（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ＳＬＳ）o 。ＳＬＳ 技术属于ＡＣＳＬＧ技术中的一种，是一种可结晶高性能 多晶硅的ＥＬＡ方法。ＳＬＳ技术使用掩模（狭缝阵列） 严格控制光束形状，使激光辐射区域完全熔化结晶，在 i微米量级上移动样品，使相邻的非晶硅区域被激光束 辐射完全熔化，则第１个脉冲的多晶硅将向此完全熔 化区域发生横向生长，重复此步骤，即可得到大尺寸晶 g粒。由于相邻晶粒之问的竞争，只有一部分晶粒可以 持续生长下去，所以随着样品的移动，晶粒平均宽度增 加。 sＳＬＳ过程包括两个关键的步骤：（１）通过掩模选定 P区域使之在激光辐射下完全熔化结晶；（２）精确控制 两个相邻激光脉冲之间样品移动的距离，此距离需小 于单脉冲的横向生长长度。２匀光原理简介 z 准分子激光具有高重频、窄脉宽、高能量、低相干 等特点，准分子激光光斑常为矩形，长边方向具有平顶 分布，短边方向为近高斯、*顶分布或介于二者之 间 。在准分子激光ＬＴＰＳ制备过程中，若想得到均 匀的结晶颗粒，就需要有能量密度分布均匀的激光光 斑，因此，匀光单元是整个光束整形系统的核心。对于 激光强度的均匀性处理，主要有：棱镜法、反射镜法、非 球面透镜法、全息光栅滤波器法、万花筒法、透镜阵列 法等 Ｊ。每种方法各具特色，根据应用场合不同，采 用不同的方法。针对于ＥＬＡ方法制备多晶硅薄膜的 应用，主流的办法为透镜阵列法，透镜阵列匀光法对原 始光束的能量分布要求低，能量利用率高，光斑均匀面 位置可调节，装调简单，加工技术较成熟，但其昂贵的 价格却提升了成本。透镜阵列的匀光原理大致如 下 Ｊ：光束被透镜阵列分为若干子光束，p绕聚光镜主 光轴作对称分布的子光束，在焦面上互补叠加。即使 光强分布为严重的不对称分布，经二切分叠加后，大范 围的光强差别就已能填平。原则上阵列单元的数量越 多，均匀效果越好。图１为透镜阵列匀光原理的示 意图。 rf而 图１透镜阵列匀光原理 这种匀光方法广泛采用两级透镜阵列。由于聚光 镜的焦面上光斑尺寸取决于聚光镜的焦距、阵列中透 镜单元的照明孔径，所以，两级透镜阵列可以在不改变 聚光镜焦面位置的情况下，通过调节二者间距从而达 到改变照明孔径的目的，进而改变光斑尺寸。 若要获得均匀性良好的光斑，应增加阵列单元的 数量。在两级透镜阵列中，一定要满足透镜单元的一 对一原则，否则会产生旁瓣效应，严重影响光斑均匀 性 Ｊ。同时，两级透镜阵列的相对位置对光斑的均匀 度也有影响，其中，匀化效果对阵列绕光轴滚转偏差最 为敏感 Ｊ。最后，为防止昂贵的透镜阵列损坏，二级 阵列应与一级阵列的焦平面保持一定的距离，聚光镜 也不应置于两级阵列组合后的焦平面处。 ３典型ＥＬＡ系统介绍 ＥＩＡ制备多晶硅薄膜的方法在平板显示领域中 扮演着重要的角色，但准分子激光器的原始光束往往 不能达到此应用的要求，这就需要光束整形系统对原 始光束进行处理。典型的ＥＬＡ光束整形系统需要达 到３个目标：（１）将原始的矩形光斑整形为高横纵比 的线形光斑，整形后的线型光斑尺寸根据基板的尺寸 和光源的脉冲能量而设定；（２）样品表面的光斑能量 密度达到３００ｍＪ／ｃｍ。一４５０ ｍＪ／ｃｍ ，且连续可调¨ ； （３）光斑能量密度分布均匀，这有助于提高硅晶粒的 均匀性。 图２为线型光束扫描基板进行准分子激光退火的 示意图。 图３为ＭｉｃｒｏＬａｓ公司的光束整形系统示意图。整 套ＥＬＡ系统由Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司（原Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ公 zzPzzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp第４０卷第３期 尹广明用于平板显示ＬＴＰＳ制备的ＥＬＡ光束整形系统 ３８７ （６）：５６０－５６４（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［８］ ＫＵＡＮＧ Ｌ Ｊ，ＺＨＡＩ Ｊ Ｈ，ＲＵＡＮ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｌｙ－ｅｙｅ ｌｅｎｓ ｉｎ ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，３（６）：２９－３１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［９］ ＨＵＡＮＧＷ，ＹＵＨ Ｙ，ＬＩＹ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｉｎｍｉｃｒｏ— ｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ ｐａｉｒ ｏｎ ｂｅａｍ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１３，３７（１）：１１—１５（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［１０］ ＫＡＨＬＥＲＴ Ｈ Ｊ，ＢＵＲＧＨＡＲＤＴ Ｂ，ＳＩＭＯＮ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃｓ ｆｏｒ ｔｈｉｎ Ｓｉ—ｉｆｌｍ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒｓ：ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，２００３， ５００４：２０－２７． ＦＩＥＢＩＧ Ｍ，ＯＳＭＡＮＯＶ Ｒ，ＳＴＡＭＭ Ｕ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｓｈ－ｐｏｗｅｒ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌｓａｅｒｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｐｏｌｙ－Ｓｉ ａｎｎｅａｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，２０００，３８８８：４６４－４６９． ［１２］ ＦＥＣＨＮＥＲ Ｂ，ＳＣＨＩＷＥＫ Ｍ，ＫＡＨＬＥＲＴ Ｈ Ｊ，ｅｔ ａ１．３００Ｗ ＸｅＣｌｅｘ· ｃｉｍｅｒｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｌｏｗ ｔｅａ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，２００３， ４８３０：２８３－２８６． eloigsPzz［１３］ ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｓ，ＴＥＲＡＭＯＴＯ Ｓ，ＫＵＳＵＭＯＴＯ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６２１５５９５［Ｐ］．２００１－ｏ４— １０． ［１４］ ＹＡＭＡＺＡＫＩ Ｓ．ＴＡＮＡＫＡ Ｋ，ＴＥＲＡＭＯＴＯ Ｓ．Ｌａｓｅｒ ｉｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｐ． ｐａｒａｔｕｓ：ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６４４１９６５［Ｐ１．２００２－ＴＡＮＡＫＡ Ｋ．Ｌａｓｅｒ ｉp０８－２７． ［１５］ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ６１０４５３５ ｆ Ｐ］．２０００－０８—１５． ［１６］ ＩＭ Ｊ Ｓ．ＳＰＯＳＩＵ Ｒ Ｓ．ＣＲＯＷＤＥＲ Ｍ Ａ．Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｉ ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ ｔｈｉｎ—ｉｆｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，７０ （２５）：３４３４－３４３６． ［１７］ ＶＯＵＴＳＡＳ Ａ Ｔ．ＬＩＭＡＮＯＶ Ａ．ＩＭ Ｊ Ｓ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ．１ａｓｅｒ．ａｎｎｅａｌｅｄ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｆｌｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００３， ９４（１２）：７４４５－r７４５２． ［１８］ ＣＲＯＷＤＥＲ Ｍ Ａ，ＶＯＵＴＳＡＳ Ａ Ｔ，ＤＲＯＥＳ Ｓ Ｒ，ｅｔf ａ１．Ｓｅｑｕｅｎｔｉｌａ ｌａｔｅｒｌａ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ ＴＦｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，２００４，５１（４）：５６０－５６８． Pz