CN1734335A - 用于硅层结晶的可变掩膜器件及使用该器件的结晶方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种可控制开口的宽度和长度的用于硅层结晶的可变掩膜器件，和一种使用所述可变掩膜器件对硅进行结晶的方法。所述可变掩膜器件具有框架，该框架带有开口，该开口的宽度由X方向调节器控制，而长度由Y方向调节器控制。提供其上形成多个液晶显示板的基板。激光束通过开口排列，并且利用该激光束照射形成在基板上的硅层，由此对该硅层进行结晶。该基板以扫描距离在X方向上移动，并且照射该基板，直到整个基板被全部结晶。

Description

用于硅层结晶的可变掩膜器件及使用该器件的结晶方法
技术领域
本发明涉及一种对无定形硅进行结晶的器件，更具体地，涉及一种由连续横向结晶(sequential lateral solidification(SLS))方法所应用的、用于硅层结晶的可变掩膜器件。
背景技术
无定形硅薄膜晶体管(a-Si TFT)已经广泛地用作图像显示器件(例如液晶显示器件(LCD)等)的开关器件。然而近年来，随着对高图像质量LCD的需求的增长，已经在积极地从事使用多晶硅(此后称为多硅或多Si)TFT用作开关器件的研究，多晶硅TFT的工作速度比无定形硅TFT更快。
为了制造多晶硅TFT，通过对无定形硅层进行热处理形成多晶硅层。可以使用高温炉或者准分子激光器进行这种热处理。
然而，因为LCD使用会在高于600℃的温度下变形的玻璃基板，所以很难在高温炉中对玻璃基板上的无定形硅层进行结晶。因此，通常采用准分子激光器进行结晶。准分子激光器向无定形硅层照射高能激光束。激光在几十毫微秒间提供瞬时加热，该加热时间足够短，玻璃基板可基本上不受影响。
使用准分子激光器形成多晶硅层的另一个益处在于这样形成的多晶硅层具有比通过炉热处理形成的多晶硅层更高的电子迁移率。通常，无定形硅具有的电子迁移率为0.1到0.2cm2/Vsec。通过准分子激光器形成的多晶硅具有超过100cm2/Vsec的电子迁移率，而通过炉热处理形成的多晶硅仅具有10到20cm2/Vsec的电子迁移率。
通过准分子激光器结晶制造的多晶硅TFT在通态(ON state)具有良好的电子迁移率，但是在断态(OFF state)会产生大量的漏电流。因此，期望减少由准分子激光器结晶形成的多晶硅TFT在断态中的漏电流。
多晶硅TFT的漏电流是由于下列原因产生的。在断态中，即使在源极与漏极之间施加约5到10V的电压，在该源极与漏极之间没有电流流过的状态下，该源极与漏极之间也会形成高电场。在断态中，在硅粒子间结合相对弱的晶界处产生电子空穴对。所产生的电子空穴对在晶界处分离，由此产生漏电流。
此外，多晶硅层的内部晶界会使器件的电子迁移率在通态和断态中都变得很低。这是因为在晶界处，硅粒子间的结合被切断，或者硅粒子是彼此不完全结合的，这样就阻碍了电子或者空穴的流动。因此，即使多晶硅TFT具有高于无定形硅TFT的电子迁移率，该多晶硅TFT的电子迁移率也会因为晶界而低于单晶硅TFT的电子迁移率。
为了解决这些问题，通过增加晶粒大小来降低晶界密度。为了增加晶粒大小，就要增加激光能量强度或者对基板加热。
参照图1，在第一区域和第二区域中，激光能量的强度与晶粒大小成正比。然而，在第三区域中，因为下列原因生长出相当于100nm的小晶粒。
当激光束照射到无定形硅层的表面时，在直接暴露于该激光束的无定形硅层的表面部分被照射了高强度的激光束，无定形硅层的下部被照射了相对弱的激光束。因此，直接暴露于激光束的无定形硅层的表面被完全熔化，而无定形硅层的下部未被完全熔化。因为晶粒以晶核(seed，例如掺杂或者不完全熔化的无定形粒子)为中心生长，所以处于未完全熔化状态的无定形硅的下部被用作晶核，使得可以其为中心生长大尺寸的晶粒。
当激光束的强度超过临界水平时，无定形硅完全熔化，于是就不存在用于生长晶粒的晶核。接着，在冷却处理中，在熔化的无定形硅中随机地产生晶核，并且无定形硅以该晶核为中心结晶。
此时，如图1中的第三区域中所示，所产生的晶粒具有非常小的尺寸。
在冷却处理中，通过其上未被照射激光束的两侧表面对无定形硅进行冷却。这是因为侧表面的固体无定形硅层的导热率比下部的无定形硅层的更大。
完全熔化的无定形硅从侧表面的未熔化的无定形硅进行结晶。此时，将未熔化的无定形硅用作结晶的晶核，并且以特定图案在横向上进行结晶。
在被激光束熔化的硅层中的与用作的晶核的固体无定形硅层不接触的区域中，微小晶体可在冷却处理中随机生长。该微小晶体用作晶粒生长的晶核，以进行结晶。
图2示出通过上述结晶方法结晶的无定形硅的状态。下面参照图2更详细地说明该结晶方法。
首先，通过掩膜遮蔽部分无定形硅，并且接着对该无定形硅照射激光束。由掩膜遮蔽的无定形硅区域不熔化，而其上照射了激光束的无定型硅区域完全熔化，并且随即被冷却。
通过将侧表面的固体无定形硅用作晶核，可在冷却处理中对熔化的无定形硅进行横向结晶，并且与该固体无定形硅不接触的区域中的熔化的无定形硅以任意晶核(arbitrary seed)为中心生长成相当于几百nm大小的小晶粒。该激光束具有足以完全熔化所照射到的无定形硅的强度。
在横向上连续进行结晶。这就是所谓的连续横向结晶(SLS)。如图中所示，横向生长的晶粒的大小相当于1到1.2μm。
虽然由普通激光结晶形成的晶粒具有相当于几百纳米的大小，但通过SLS方法形成的晶粒具有相当于几微米μm的大小。因此如果在器件中采用通过SLS方法获得的多晶硅，可实现具有大迁移率的器件。
当希望得到通过SLS方法生长的最大尺寸的晶粒时，可从两个方向执行SLS方法，由此获得在其中间部分具有一大晶界的大结晶结构。
图3是示出了通过上述方法生长的晶粒的一方面的视图。
如图3中所示，如果通过使用包括接近2μm的开口的掩膜执行SLS方法，则晶粒具有一个晶界并且可获得横向生长的结晶体。如果将横向生长的多晶体用作薄膜晶体管的沟道，则该薄膜晶体管可具有高迁移率。
现在将参照图4更具体地说明使用SLS方法的对无定形硅进行结晶的方法。
如图4A中所示，通过使用包括宽W、长L的开口402的掩膜401作为激光束遮蔽掩膜，来执行SLS方法。同样，通过在X方向对基板400进行扫描并且通过在Y方向上步进该基板400，来执行SLS方法。通过以条状激光束扫描基板，并且以Z形移动整个基板来执行该SLS方法。
将基板在X方向的单位移动距离称为X方向扫描距离，并且将基板在Y方向的单位移动距离称为Y方向步进距离。扫描距离小于掩膜的宽度，以便在相邻结晶硅区域间部分地重叠。同样，Y方向的步进距离对应于掩膜的长度。
此后，将参照图4A到4C说明相关的结晶。
如图4A所示，包括宽度W、长度L的开口402的掩膜401排列在基板400上。掩膜可形成在激光发生器的投影透镜的内侧或者外侧，并且可通过将具有掩膜的激光发生器排列在基板上，将该掩膜排列在基板上。
在将掩膜401排列在基板上后，第一次激光发射(laser shot)通过掩膜的开口照射到基板上。结果，如图4A所示，可获得在其中部具有一大晶界的横向结晶硅区域。
接着，如图4B中所示，在X扫描方向上移动基板400。如上所述，移动距离小于掩膜的宽度W。这是为了在X扫描方向中移动基板后，可部分地重叠由第一次激光发射结晶的区域和由第二次激光发射结晶的区域。通过重叠结晶区域可获得更大的结晶硅区域。
因此，如图4B所示，可获得具有W/2+A的长度的结晶区域。A表示通过扫描移动基板后的重叠区域的长度。
在移动基板并在X方向扫描之后，如图4C所示，基板400以步进距离在Y步进方向中移动，并且随后连续地执行SLS方法。步进距离优选地小于开口402的长度，由此可部分地重叠结晶区域。这是为了去除因为结晶后生成的晶界而导致的结晶应变(strain)。
以步进距离移动基板400，并且接着在X方向上继续移动基板400，由此执行结晶。
执行结晶，直到完成对整个基板的结晶。
然而，在现有的结晶方法中，通过使用具有固定开口的掩膜执行结晶，并且因此很难对其上形成有各种尺寸的单位LCD板的基板进行结晶。即，如果单位LCD板的长度大于掩膜开口的长度，则在对基板进行步进时，不得不通过部分地重叠结晶区域来执行结晶。同时，基板上排列的其它LCD板可能会被部分地结晶，由此难于进行均匀的结晶。
同样，因为采用具有固定尺寸的开口的掩膜，当对不同尺寸的单位LCD板进行结晶时，必须用其它掩膜来替换当前的掩膜。
发明内容
因此，提出了可均匀地对基板上形成的各种尺寸的单位液晶显示(LCD)板进行结晶的连续横向结晶(SLS)方法。通过使用可变掩膜器件，可在单位LCD板的步进方向上无晶界地执行均匀的结晶。
仅是作为介绍，在一个方面，用于对硅层结晶的可变掩膜器件包括：设置在硅层与激光束源之间的限定了开口的框架；和用于控制该开口的尺寸的调节器。更具体地，X方向调节器可用于控制开口的宽度，而Y方向调节器可用于控制开口的长度。
在另一方面，提供了一种SLS方法，通过移动基板并使用用于硅层结晶的、形成有长度大于单位LCD板的长度的开口以执行结晶的可变掩膜器件进行扫描，该方法仅在X方向对该单位LCD板进行结晶。
SLS方法包括以下步骤：提供其上形成有多个单位LCD板的基板；将具有可变开口的掩膜排列在基板上；使用激光束通过开口照射硅层，以对硅层进行结晶；并且以X方向扫描距离移动基板；照射硅层；并且重复移动和照射，直到完成对整个硅层的结晶。
用于对半导体层进行结晶的另一种方法，包括以下步骤：提供其上形成有各自包含半导体层的多个板的基板；在一个板中的半导体层上排列具有可变开口的掩膜；并且使用激光束通过开口重复照射该半导体层，以对该半导体层进行结晶，并且在照射该半导体层之后至少移动所述掩膜或者所述基板之一，直到在对另一板中的半导体层进行照射前，完全照射了该板中的半导体层。
提供的上述描述仅仅是概述的，无意于以任何方式对本发明或者其等同物的范围进行限制。
附图说明
包括在本发明中用于进一步理解本发明的附图被并入并构成了说明书的一部分，示出本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是示出了激光强度与由该激光强度形成的晶体尺寸之间的关系的视图；
图2是示出了横向结晶的晶体的平面图；
图3是示出了使用掩膜的连续横向结晶的晶体的截面图；
图4A到4C是示出了使用掩膜进行SLS的处理的模拟图；
图5A和5B是示出了根据本发明的用于对硅层结晶的可变掩膜器件的视图；
图6是示出了使用根据本发明的用于对硅层结晶的可变掩膜器件的SLS方法的截面图；
图7是示出了通过使用包括根据本发明的用于对硅层结晶的可变掩膜器件的激光束发生器件，对基板结晶的方法的平面图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。如图所示，提出了一种可变掩膜器件，用于对其上形成有不同尺寸的多个单位液晶显示(LCD)板的母板上的硅层进行结晶。
此后，将参照图5说明根据本发明的用于硅层结晶的可变掩膜器件。
如图5A所示，用于硅层结晶的可变掩膜器件500包括钳形框架(clamp frame)501、和由X方向调节器502和Y方向调节器503限定的开口504。开口504可以构造为矩形，并且具有长度Lo和宽度Wo。开口504的宽度由X方向调节器502控制，开口504的长度由Y方向调节器503控制。X方向调节器502和Y方向的调节器503可以以μm的增量控制开口504的宽度和长度。为了控制开口的宽度和长度，X方向调节器502和Y方向调节器503分别通过控制单元510a和510b与框架501耦合。
开口504的宽度Wo决定了在实施SLS方法时的生长晶体区域的长度，并且被确定在2μm到15μm的范围内。
激光束通过可变掩膜器件而具有相当于几微米的宽度和相当于几十厘米的长度。因此，通过Y方向调节器503将开口504的长度控制到几十厘米。也可以允许开口504的长度达到大于单位LCD板一边的长度。通过允许激光束的长度大于单位LCD板的一边的长度，使得可仅通过在X方向上移动基板，而不用在Y方向上移动基板来对每个单位LCD板进行结晶。
可变掩膜器件确定由激光发生器件形成的光束的最终形状，并且可安装在激光束的投影透镜的上端或者邻近投影透镜的下端。因为激光束直接照射可变掩膜器件，所以可变掩膜器件由足够强而不受激光束损坏的铝合金、铬等或者其它不透明材料形成。
图5B示出了根据本发明的可变掩膜器件的另一个实施例。根据图5B中所示的实施例的可变掩膜器件500仅具有Y方向的调节器503。即，开口504的宽度是预定的，并且只能控制开口的长度。这样使得仅在X扫描方向上移动基板来对单位LCD板进行结晶。因此只控制开口的长度。
现在参照图6说明通过使用可变掩膜器件对基板上形成的无定形硅层进行结晶的方法。
图6示出了根据本发明的激光发生器件的一部分。虽然未示出，但根据本发明的激光发生器件包括：激光发生单元(未示出)；准直仪(未示出)，用于在侧方向和垂直方向上聚集由激光发生单元生成的激光束；均衡器(homogenizer)(未示出)，用于使准直仪聚集的激光束的截面形状变形；和投影透镜601，用于将来自均衡器的激光束照射到基板610。
如图6所示，可变掩膜器件500安装在投影透镜601的上端(虽然也可以安装在投影透镜的下端)。如图所示，当可变掩膜器件500安装在投影透镜601的下端时，可变掩膜器件500位于投影透镜601与基板610之间，并且当可变掩膜器件500安装在投影透镜601的上端时，投影透镜601位于可变掩膜器件500与基板610之间。因此，在照射到基板610之前，被均衡器线性变形的激光束630的形状最终又被可变掩膜器件500进行变形。由可变掩膜器件500处理过的激光束是长直线激光束。
激光束可通过投影透镜601以等多状态(equi-multiple state)照射到基板610上(即，以一次激光发射照射到基板的全部希望的区域)或者以分成1/n次的最小状态照射到基板610上(即，分n次激光发射照射基板的全部希望的区域)。
图6示出了可控制其宽度和长度的激光束的形状。如图6所示，线性激光束的长度可从Lo变为La，并且其宽度可从Wo变为Wa。
经过处理的激光束照射到基板上的单位LCD板上，并且对每个单位LCD板进行结晶。通过在X和Y方向上移动其上承载基板610的基板台620来对整个基板610进行结晶。
现在将参照图7说明用于对每个单位LCD板进行结晶的方法。
图7示出了其上形成有具有各种尺寸的单位LCD板702a到702d的母板701。单位LCD板通过切割工艺分别彼此隔离。图7中的虚线710表示切割该单位LCD板的切割线。在各种实施例中，对基板701上的全部或者部分无定形硅进行结晶。因此在一个实施例中，通过可变掩膜器件处理线性激光束，以使其具有比每个单位LCD板的一边更大的尺寸，并且不影响相邻的单位LCD板。
如图7所示，激光发生器件排列在其上形成有多个单位LCD板的基板上，并且由可变掩膜器件处理过的线性激光束703a对准单位LCD板702a的一侧。经过处理的线性激光束具有相当于几μm的宽度，大于结晶的单位LCD板的长度，并且不超过由切割工艺形成的最大单位LCD板的尺寸。
通过激光束703a执行第一次激光发射，并且接着通过在X方向上移动基板执行第二次激光发射。基板的移动距离小于激光束的宽度的1/2，由此可使得由第一次激光发射形成的晶体区域与由第二次激光照射形成的晶体区域部分地重叠。通过上述方法，可获得横向生长的单晶体。
因为激光束703a大于单位LCD板702a的一侧，所以为了对每个单位LCD板进行结晶，仅在X方向扫描就足够了，可省略Y方向上的步进(如果希望)。因此，可在单位LCD板中获得X方向结晶的横向晶体。即，不在Y方向生成结晶，由此实现优良的结晶。
在对第一单位LCD板区域进行结晶后，也同样通过上述工艺对第二单位LCD板区域进行结晶。如果第二单位LCD板区域的尺寸不同于第一单位LCD板区域的尺寸，则控制可变掩膜器件的长度和宽度，并且接着执行第二单位LCD板区域的结晶。
在本发明中，在对其上形成有不同尺寸的单位LCD板的基板执行SLS方法时，提供具有可变开口的可变掩膜器件只对单位LCD板进行结晶，从而可有效地执行该SLS方法。因为本发明中提供了可变掩膜器件，所以可有效地对其上排列有不同尺寸的单位LCD板的母板进行结晶。同样，可通过控制开口的尺寸，对激光束进行处理，使其大于单位LCD板的一边，来执行单位LCD板的结晶。因此。可通过移动基板仅使用X方向上的扫描来对单位LCD板进行结晶，由此在不使用步进方式的情况下获得优良的晶体材料。
虽然可以以多种不脱离本发明的精神或者实质特点的形式具体实现本发明，但应该理解，除非有相反的规定，否则不能以前述说明的任何细节限制上述具体实施例，相反应该在所附权利要求定义的精神和范围内作出宽泛的解释，并且由此意在通过所附权利要求涵盖落入权利要求的边界内的，或者其边界的等同范围内的全部改变和变型。
本申请要求享有2004年8月10日提交的韩国专利申请No.P2004-62892的优先权，在此通过引用并入其内容。

Claims (20)

1.一种可变掩膜器件，用于液晶显示板的硅层结晶，包括：
限定了开口的框架，所述开口设置在所述硅层与激光束源之间；和
调节器，用于控制开口的尺寸。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述框架为钳形。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述调节器包括X方向调节器和Y方向调节器。
4.根据权利要求1所述的器件，其中开口为矩形。
5.根据权利要求1所述的器件，其中由所述调节器控制的开口的宽度最大为15μm。
6.根据权利要求1所述的器件，其中由所述调节器控制的开口的长度大于基板上形成的单位液晶显示板的长度。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述调节器仅包括Y方向调节器。
8.一种用于对硅层进行结晶的方法，其包括以下步骤：
提供其上形成有多个单位液晶显示(LCD)板的基板；
在基板上排列具有可变开口的掩膜；
使用激光束通过开口照射所述硅层，以对所述硅层进行结晶；并且
以X方向扫描距离移动基板，照射所述硅层，并且重复移动和照射，直到所述硅层全部结晶。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将开口的长度控制为大于被照射的单位LCD板的一边。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括通过仅在X方向扫描所述基板，对全部单位LCD板进行结晶。
11.根据权利要求8所述的方法，其中基板在X方向上移动的距离小于开口的宽度的1/2。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括对所述可变开口的宽度和长度都进行控制。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过不同调节器控制所述可变开口的宽度和长度。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括仅控制所述可变开口的长度，而所述可变开口的宽度固定。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括对所述可变开口的长度进行控制，使得可通过仅在X方向上扫描基板，来对每个独立单位LCD板进行结晶。
16.根据权利要求8所述的方法，其中被照射的所述硅层包括无定形硅层。
17.一种对半导体层进行结晶的方法，其包括以下步骤：
提供其上形成有各自包括所述半导体层的多个板的基板；
在一个板中的半导体层上排列具有可变开口的掩膜；并且
在对另一个板中的半导体层进行照射之前，重复使用激光束通过开口照射所述半导体层，以对所述半导体层进行结晶，并且在照射了所述半导体层后移动所述掩膜或者基板中的至少一个，直到已经完全照射了该板中的所述半导体层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在对每个板分别进行照射时，仅在一个方向上移动所述基板。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在基板上设置不同尺寸的板，并且将开口的长度控制为大于被照射的板的一边的长度。
20.根据权利要求17所述的方法，其中掩膜或者基板中的至少一个在X方向上移动的距离小于所述开口的宽度的1/2。
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