專利名稱：晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多晶硅，特別是一種晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜的制備及檢測裝置， 用以快捷、實時地檢測多晶硅薄膜結晶品粒的粒度，從而調整激光晶化所需的最佳 能量密度。
背景技術：
激光晶化作為低溫多晶硅(LTPS)技術的核心工藝，在液晶顯示(LCD)領域 中有良好的應用前景。激光晶化的原理是用激光對低溫沉積的非晶硅薄膜掃描使其 熔融，重新結晶成為多品硅薄膜。與目前所用的非晶硅薄膜液晶面板相比，多晶硅 薄膜液晶面板成本較為便宜，且具有更高的解析度，這是因為電子在多晶硅中的傳 輸速度更快、品質更為優(yōu)良，因而可以使薄膜電品體的尺寸更小，增加顯示器的亮 度并減少功率消耗。
目前比較常用的是準分子激光晶化(excimer laser crystallization)技術，可實現(xiàn)
較大規(guī)模多品硅薄膜的制備。但是該技術也有著很大的缺點，如設備昂貴、工藝的 重復性較差、晶化度對能量密度變化敏感等。有研究表明，晶粒增大會使晶界缺陷 減少，多晶硅薄膜器件的導電性能也得到提高。為了獲得更大晶粒、高質量的多晶 硅薄膜，近來一些研究人員利用綠光激光器(主要是倍頻的釹激光)制備多晶硅薄 膜，制作的薄膜晶體管性能已遠超出準分子激光晶化的水平。
如上所述，多晶硅薄膜的粒度對激光能量密度變化很敏感。而且由于準分子激光 的輸出功率不穩(wěn)定，導致形成的多晶硅薄膜的粒度明顯不均勻。這導致所制備的多 品硅薄膜不一定具有足夠大的晶粒尺寸，達不到遷移率要求從而被拋棄。
生產中需要一種客觀評估多品硅薄膜的方法，用以測定多晶硅薄膜的粒度是否達 到要求。傳統(tǒng)上利用高倍率的光學顯微鏡觀測薄膜表面粗糙度，但這種方法依賴于 肉眼，不夠客觀精確。除此之外，掃描電子顯微鏡(SEM)圖像雖然是一種比較直觀 的方法，由操作員對退火后的薄膜表面圖像直接觀測并進行評估。然而，由于這種 檢測方法對薄膜具有破壞性，而且成本較高費時，所以主要用于科研實驗而不適用 于產業(yè)。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為了彌補上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種晶粒尺寸可控的多 晶硅薄膜的制備及檢測裝置，達到實時在線檢測多晶硅薄膜晶粒的大小，并隨之調 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。
本發(fā)明的技術解決方案如下
一種晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特點是由激光源、分光器、 光束整形系統(tǒng)、多晶硅薄膜基片、光學聚焦系統(tǒng)、受激拉曼光譜接收系統(tǒng)、拉曼數 據分析并反饋系統(tǒng)和移動工作臺組成，各部件的位置關系如下所述的多晶硅薄膜 基片置于所述的移動工作臺上，所述的激光源輸出的激光束被分光器分成第一光束 和第二光束，所述的第一光束經光束整形系統(tǒng)后掃描在移動工作臺上的多晶硅薄膜 基片進行激光退火，所述的第二光束經所述的光學聚焦系統(tǒng)照射在經過激光退火的 多晶硅薄膜基片，激發(fā)已退火的多晶硅的拉曼光譜并被所述的受激拉曼光譜接收系 統(tǒng)接收，然后由拉曼數據分析并反饋系統(tǒng)進行數據處理并反饋至激光源控制激光源 輸出激光的功率，以調整激光能量密度及其穩(wěn)定性。
所述的光束整形系統(tǒng)把第一光束整形成為光強均勻分布的條狀光束。 所述的光學聚焦系統(tǒng)將第二光束聚焦于已退火的多晶硅薄膜，光斑尺寸0.5~1.5
w m。
所述的激光源為脈沖激光器或連續(xù)激光器，波長范圍266 1064nm; 所述的第一光束與第二光束的分光比為95 80%: 5 20%。 所述的拉曼光譜接收系統(tǒng)對所述的激光源波長范圍的光譜接收靈敏，有較好的 熒光屏蔽效果。
所述的拉曼數據分析及反饋系統(tǒng)是一臺計算機，對由拉曼光譜接收系統(tǒng)送入的 數據進行數據處理，并根據處理的結果顯示相應的TO峰峰位、半高寬和晶粒大小， 向激光源輸出相應的控制信號調整激光輸出功率。
所述的基片是玻璃基底。
本發(fā)明的原理是利用多晶硅薄膜拉曼光譜的特征參量與退火激光能量密度的對 應關系，經由量化而得到一判斷指標，從而可以實時在線檢測晶粒的大小，并隨之 調整多晶化所需的最佳能量密度。
我們知道受激拉曼光譜是獲得物質結構信息的一種重要手段，本發(fā)明中描述的激光拉曼光譜可以較精確地研究非晶硅薄膜和納晶硅薄膜的微觀結構，如多晶硅 薄膜的晶粒尺寸和結品度等。有研究表明，晶粒大小和拉曼光譜特征(TO主峰的位 置和半高寬)有明確的對應關系。晶粒越大，結晶度越高，拉曼譜的TO峰位置越 接近單晶硅的特征峰位(520cm—1)，且TO峰的半高寬(FWHM)也越小。人們總結了一
些公式來描述TO峰位置與晶粒尺寸的關系。如Ad-2;r、f^等，其中Ad為晶粒
大小，A"To為多晶硅TO峰位與單晶硅特征峰位520cm"的差距，B為常數。(公 開文獻上有發(fā)表，參見如馮團輝，張宇翔，王海燕等，a-Si :H薄膜的再結晶技術及 Si膜的Raman光譜分析，材料科學與工程學報，2005， 23(3):463 465)。以此規(guī)律 為依據，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譜，并依 次標定其特征峰位置和半高寬。選出其中峰位最接近520cm—'及半高寬最窄的那個能 量密度值。然后以此為既定能量密度對基片進行退火。此既定能量密度退火的多晶 硅薄膜可以較好地符合多晶硅粒度要求。 本發(fā)明的技術效果
本發(fā)明中用于檢測多晶硅薄膜品質的裝置，可以用非接觸方式高精度客觀的評 估多晶硅薄膜的晶粒尺寸，確定最佳退火的能量密度，并且及時調整用于硅晶化的 激光能量密度。
圖1為本發(fā)明晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置示意圖。
圖中
l一激光器2 —分束器3 —第一光束4 —光束整形系統(tǒng)5 —多品硅薄膜基 片6—第二光束7—光學聚焦系統(tǒng)8—拉曼光譜接收系統(tǒng)9一拉曼光譜數據分 析及反饋系統(tǒng)
圖中實線表示光路，虛線僅示線路或連接關系。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護 范圍。
先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置示意 圖，由圖可見，本發(fā)明晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，由激光源1、 分光器2、光束整形系統(tǒng)4、多晶硅薄膜基片5、光學聚焦系統(tǒng)7、受激拉曼光譜接
5收系統(tǒng)8、拉曼數據分析并反饋系統(tǒng)9和移動工作臺組成，各部件的位置關系如下 所述的多晶硅薄膜基片5置于所述的移動工作臺上，所述的激光源1輸出的激光束
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經光束整形系統(tǒng)4后 掃描在移動工作臺上的多品硅薄膜基片5進行激光退火，所述的第二光束6經所述 的光學聚焦系統(tǒng)7照射在經過激光退火的多品硅薄膜基片5，激發(fā)已退火的多晶硅 的拉曼光譜并被所述的受激拉曼光譜接收系統(tǒng)8接收，然后由拉曼數據分析并反饋 系統(tǒng)9進行數據處理并反饋至激光源1，控制激光源1輸出激光的功率，以調整激 光能量密度及其穩(wěn)定性。
本發(fā)明中是基于退火多晶硅薄膜受激拉曼譜的TO峰位隨半高寬與晶粒尺寸的 變化關系，通過分析薄膜的拉曼光譜，可以確定最大晶粒尺寸所對應的激光能量密 度。具體實施步驟如下
1、 退火激光源1為二倍頻的Nd:YAG脈沖激光器(波長532nm),脈寬30ns; 經分光器2后的第一光束3和第二光束6的強度比為卯％: 10%;
2、 提供一低溫沉積了非晶硅薄膜的基片5，放置于可移動的工作臺上；本實 例中的襯底為厚度l.lmm的康寧1737玻璃，通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD) 的方法，在襯底上依次沉積200nm的Si02和100nm非晶硅薄膜；
3、 激光經分光器的第一光束3，經光束整形系統(tǒng)4后變成一光強均勻分布的 條形光束，此光束以一系列不同的能量密度對所述的非晶硅薄膜的不同區(qū)域進行掃 描退火處理，舉例而言，從100mJ/cm2 1000mJ/cm2范圍中選取不同能量密度，如 選取200mJ/cm2、 300mJ/cm2、 400 mJ/cm2、 500mJ/cm2、 600 mJ/cm2、 700mJ/cm2、 800mJ/cm2、 900mJ/cm2;
4、 停止掃描，由拉曼光譜接收系統(tǒng)8分別檢測由激光第二光束6激發(fā)的拉曼 光譜，這些光譜分別對應于如上退火所用的不同能量密度；
5、 由拉曼光譜數據分析及反饋系統(tǒng)9對接收到的拉曼光譜的特征參量進行分
析，分別記錄TO峰位置與半高寬值，由公式Ad = 2;r」」一計算其晶粒大小，并確
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定出現(xiàn)最大粒度多晶硅粒所對應的激光能量密度。實驗表明，以能量密度600mJ/cm2 的激光實施退火處理的多晶硅薄膜具有相對最大的晶粒尺寸(400nm)。
6、 以上述確定的出現(xiàn)最大粒度多晶硅粒所對應的激光能量密度(600mJ/cm2) 對另一襯底進行掃描退火晶化處理。對拉曼譜的接收測試可隨時進行，當晶粒尺寸不符合要求，如粒度小于300nm時，計算機9根據軟件程序的規(guī)定提出警告并反饋 誤差，使操作人員對激光能量密度作出相應調整。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明裝置可以為多晶硅薄膜的制備的同時進行在線檢測， 為多晶硅薄膜的制備提供最佳的能量密度，所述的檢測為非破壞性測試，具有測試 成本低、檢測快捷等優(yōu)點；更重要的是，本裝置可以精確地檢測多晶硅薄膜的粒度， 提高優(yōu)良率并增加產能。
權利要求
1、 一種晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于由激光源(l)、 分光器(2)、光束整形系統(tǒng)(4)、多晶硅薄膜基片(5)、光學聚焦系統(tǒng)(7)、受激拉曼光譜接收系統(tǒng)(8)、拉曼數據分析并反饋系統(tǒng)(9)和移動工作臺組成，各部件 的位置關系如下所述的多晶硅薄膜基片(5)置于所述的移動工作臺上，所述的激 光源(1)輸出的激光束被分光器(2)分成第一光束G)和第二光束(6)，所述的 第一光束(3)經光束整形系統(tǒng)(4)后掃描在移動工作臺上的多晶硅薄膜基片(5) 進行激光退火，所述的第二光束(6)經所述的光學聚焦系統(tǒng)(7)照射在經過激光 退火的多晶硅薄膜基片(5)，激發(fā)已退火的多晶硅的拉曼光譜并被所述的受激拉曼 光譜接收系統(tǒng)(8)接收，然后由拉曼數據分析并反饋系統(tǒng)(9)進行數據處理并反 饋至激光源(1)，控制激光源(1)輸出激光的功率，以調整激光能量密度及其穩(wěn)定 性。
2、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的光束 整形系統(tǒng)(4)把第一光束整形成為光強均勻分布的條狀光束。
3、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的光學 聚焦系統(tǒng)(7)將第二光束(6)聚焦于已退火的多晶硅薄膜，光斑尺寸0.5 1.5um。
4、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的激光 源(1)為脈沖激光器或連續(xù)激光器，波長范圍266 1064nm。
5、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的第一 光束(3)與第二光束(6)的分光比為95 80%: 5 20%。
6、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的拉曼 光譜接收系統(tǒng)(8)對所述的激光源(1)波長范圍的光譜接收靈敏，有較好的熒光 屏蔽效果。
7、 根據權利要求l所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在于所述的拉曼 數據分析及反饋系統(tǒng)(9)是一臺計算機，對由拉曼光譜接收系統(tǒng)(8)送入的數據 進行數據處理，并根據處理的結果顯示相應的TO峰峰位、半高寬和晶粒大小。
8、 根據權利要求1至7任一項所述的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特征在 于所述的基片是玻璃基底。
全文摘要
一種晶粒尺寸可控的多晶硅薄膜制備及檢測裝置，其特點是由激光源、分光器、光束整形系統(tǒng)、多晶硅薄膜基片、光學聚焦系統(tǒng)、受激拉曼光譜接收系統(tǒng)、拉曼數據分析并反饋系統(tǒng)和移動工作臺組成，本發(fā)明可以為多晶硅薄膜的制備的同時進行在線檢測，為多晶硅薄膜的制備提供最佳的能量密度，所述的檢測為非破壞性測試，具有測試成本低、檢測快捷等優(yōu)點；更重要的是，本裝置可以精確地檢測多晶硅薄膜的粒度，提高優(yōu)良率并增加產能。適用于產業(yè)化多晶硅薄膜的制備和實時檢測，可精確檢測晶粒大小并對激光能量密度實時監(jiān)控。
文檔編號C30B28/00GK101311344SQ200810033938
公開日2008年11月26日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權日2008年2月27日
發(fā)明者軍 周, 樓祺洪, 董景星, 袁志軍, 趙宏明, 魏運榮 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所