專利名稱：激光掩模以及使用其的結(jié)晶方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光掩模以及使用其的結(jié)晶方法，具體涉及一種能夠改善硅薄膜結(jié)晶特性的激光掩模以及使用其的結(jié)晶方法。
背景技術(shù)：
近來，由于對信息顯示器件特別是便攜式信息顯示器件的需求，對薄膜型平板顯示(FPD)器件的研發(fā)和市場化取得了積極的進(jìn)展，正在取代陰極射線管(CRT)。在這些平板顯示器件當(dāng)中，液晶顯示(LCD)器件利用液晶的光學(xué)各向異性顯示圖像。LCD因其具有良好的分辨率、色彩表現(xiàn)能力和圖像質(zhì)量而被用于筆記本計(jì)算機(jī)、臺(tái)式監(jiān)視器和其它顯示器件。
有源矩陣(AM)驅(qū)動(dòng)方法是LCD器件中使用的一種典型驅(qū)動(dòng)方法，用非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)作為開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)LCD器件的各像素。英國人LeComber等人在1979年公開了a-Si TFT技術(shù)，并且在1986年被商業(yè)化應(yīng)用于三英寸液晶便攜電視。近來已經(jīng)開發(fā)出顯示面積在50英寸以上的TFT-LCD器件。然而，a-Si TFT的場效應(yīng)遷移率大約是1cm2/Vsec，這阻礙了其在對像素施加信號(hào)的外圍電路中的應(yīng)用，因?yàn)橥鈬娐芬话闶前?MHz以上的頻率工作。為此，正在積極從事對于用場效應(yīng)遷移率大于a-Si TFT的多晶硅(多晶-Si)TFT在玻璃基板上的像素區(qū)和驅(qū)動(dòng)電路區(qū)內(nèi)的外圍電路中同時(shí)形成開關(guān)晶體管的研發(fā)。
自從1982年出現(xiàn)LCD彩色電視以來，多晶-Si TFT主要用于小型平板顯示器件中，例如是攝像機(jī)的目鏡。這種TFT具有低的光敏特性和高的場效應(yīng)遷移率，并且可以直接制造在基板上形成驅(qū)動(dòng)電路。提高的遷移率能增加驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率。驅(qū)動(dòng)電路的頻率容量決定了在維持適當(dāng)顯示性能的同時(shí)所能驅(qū)動(dòng)的像素?cái)?shù)量。具體地說，增加的頻率會(huì)縮短施加到像素的信號(hào)的充電時(shí)間，從而減少信號(hào)畸變并提高圖像質(zhì)量。與驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)25V的a-Si TFT相比，多晶-Si TFT的驅(qū)動(dòng)電壓在10V以下，消耗的功率較小。
在基板上直接淀積多晶硅薄膜或是淀積一層非晶硅薄膜然后通過熱處理使其結(jié)晶就能制成多晶-Si TFT。為了用廉價(jià)的玻璃作為基板，需要采用低溫處理，并且，為了對驅(qū)動(dòng)電路采用多晶-Si TFT，需要一種提高場效應(yīng)遷移率的方法。使非晶硅薄膜結(jié)晶的熱處理方法一般有固相結(jié)晶(SPC)方法和受激準(zhǔn)分子激光退火(ELA)方法。
SPC方法按600℃左右的低溫形成多晶硅薄膜。按照這種方法，是在具有低熔點(diǎn)的玻璃基板上淀積一層非晶硅薄膜，然后按600℃左右執(zhí)行數(shù)十小時(shí)的緩慢熱處理形成多晶硅薄膜。用SPC方法獲得的多晶硅薄膜具有數(shù)μm(微米)比較大的顆粒。然而晶粒中有許多缺陷。盡管多晶-Si TFT中的晶界沒有這樣壞，這些缺陷對多晶-Si TFT的性能也會(huì)有負(fù)面影響。
受激準(zhǔn)分子激光器退火方法是低溫下制造多晶-Si TFT的一種典型方法。受激準(zhǔn)分子激光器用十納秒時(shí)間對非晶硅薄膜照射高能激光束使非晶硅薄膜結(jié)晶。按照這種方法，在很短時(shí)間內(nèi)使非晶硅熔化并且結(jié)晶，不會(huì)損壞玻璃基板。與按照常規(guī)熱處理方法制造的多晶-Si薄膜相比，用受激準(zhǔn)分子激光器方法制造的多晶硅薄膜還具有良好的電特性。例如，用受激準(zhǔn)分子激光器方法制造的多晶-Si TFT的場效應(yīng)遷移率在100cm2/Vsec以上，a-Si TFT的場效應(yīng)遷移率是0.1~0.2cm2/Vsce，而按照一般熱處理方法制造的多晶-Si TFT的場效應(yīng)遷移率是10~20cm2/Vsce(IEEE Trans.Electron Devices，vol.36，no.12，p2868，1989)。
以下要描述采用激光器的結(jié)晶方法。圖1的示意圖表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸與用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之間的關(guān)系。
如圖1所示，如在IEEE Electron Device Letters，DEL-7，276，1986中所述，在第一和第二區(qū)I和II內(nèi)，多晶硅薄膜的晶粒隨著能量密度的增大而增大。然而，在第三區(qū)III內(nèi)，如果能量密度大于特定的能量密度Ec，結(jié)晶的多晶硅薄膜的晶粒尺寸就會(huì)急劇下降。也就是說，按照圖1的曲線所示，當(dāng)能量密度高于特定的能量密度Ec時(shí)，硅薄膜的結(jié)晶機(jī)理變得與不同。
圖2A到2C、3A到3C和4A到4C的示意圖表示按照圖1的激光能量密度的硅結(jié)晶機(jī)理。也就是表示了按照各激光器能量密度的順序結(jié)晶過程。采用激光退火的非晶硅的結(jié)晶機(jī)理會(huì)受到包括激光能量密度、照射壓力的基板溫度的激光照射條件以及包括吸收系數(shù)，熱傳導(dǎo)率，質(zhì)量，雜質(zhì)含量和非晶硅層厚度等物理/幾何特性等諸多因素的影響。
首先如圖2A到2C所示，圖1的第一區(qū)(I)是部分熔化區(qū)，結(jié)晶的非晶硅薄膜12僅僅達(dá)到虛線，并且此時(shí)形成的晶粒G1的尺寸是大約100埃。如果用激光束照射基板10上已形成緩沖層11的非晶硅薄膜12，非晶硅薄膜12就會(huì)熔化。此時(shí)，由于強(qiáng)激光能量直接照射在非晶硅薄膜12的表面上，而照射非晶硅薄膜12下部的激光能量比較弱，非晶硅薄膜12的一定部分熔化。由此執(zhí)行部分結(jié)晶。
按照典型的激光結(jié)晶方法，晶體生長通過用激光照射使非晶硅薄膜的表層熔化的基本熔化，用熔化的硅固化過程中產(chǎn)生的潛熱熔化非晶硅薄膜下部的二次熔化，以及下層的固化等完成。以下要詳細(xì)解釋這些晶體生長過程。
被激光束照射的非晶硅薄膜的熔化溫度在1000℃以上，并且基本上熔化成液態(tài)。由于表面熔化層與下層的硅和基板之間有很大的溫度差，表面熔化層快速冷卻直至形成固相晶核并且固化。表面層仍然是熔化的直至完成固相成核和固化。如果激光能量密度很高或是對外的散熱很低，熔化狀態(tài)會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。由于表面層會(huì)在使硅結(jié)晶的1400℃熔化溫度以下的低溫熔化，在溫度低于相變溫度時(shí)，表面層會(huì)冷卻并維持在超冷卻狀態(tài)。
超冷卻狀態(tài)越大，也就是薄膜的熔化溫度越低或是冷卻速度越快，在固化時(shí)晶核的形成速率越高，使得在固化過程中形成良好的晶體生長。在隨著熔化的表層冷卻開始固化時(shí)，晶體從晶核朝上生長。此時(shí)，在熔化的表面層從液態(tài)到固態(tài)的相變過渡過程中會(huì)產(chǎn)生潛熱，因此在下面的非晶硅薄膜溶化而開始二次熔化。下層非晶硅隨后發(fā)生固化。此時(shí)，下層二次熔化的晶核生長速率加快，因?yàn)橄聦臃蔷Ч璞∧け然救刍瘜拥某鋮s更快。因此，二次熔化層形成的晶體尺寸更小。因此就必須降低固化的冷卻速度以改善結(jié)晶特性?？梢酝ㄟ^限制所吸收的向外發(fā)射的激光能量降低冷卻速度。這種限制方法有加熱基板、雙激光束照射或是在基板與非晶硅層之間插入一緩沖絕緣層等。
圖3A到3C的截面圖表示圖1中第二區(qū)(II)的硅結(jié)晶機(jī)理，第二區(qū)(II)代表接近完全結(jié)晶區(qū)的狀態(tài)。
參照圖3A到3C，多晶硅薄膜具有向下形成到下緩沖層11界面的3000到4000埃比較大的晶粒30A-30C。如果用接近完全熔化的能量而不是完全熔化的能量照射非晶硅薄膜12，緊靠緩沖層11下面的幾乎所有非晶硅薄膜12會(huì)熔化。此時(shí)，在熔化的硅薄膜12’與緩沖層11之間界面上尚未熔化的固體籽晶35用作晶核以引發(fā)側(cè)向生長，從而形成比較大的顆粒30A-30C(J.Appl.phys.82，4086)。然而，由于僅僅在激光能量使固體籽晶35留在緩沖層11表面上時(shí)才會(huì)發(fā)生結(jié)晶，工藝余量極為有限。另外，由于固體籽晶35不是均勻產(chǎn)生，多晶硅薄膜的結(jié)晶顆粒30A-30C具有不同的結(jié)晶方向，這樣會(huì)產(chǎn)生不均勻的結(jié)晶特性。
圖4A到4C的截面圖表示圖1中對應(yīng)著完全結(jié)晶區(qū)的第三區(qū)(III)的硅結(jié)晶機(jī)理。
參照圖4A到4C，用對應(yīng)著第三區(qū)(III)的能量密度形成的很小晶粒30是不規(guī)則的。當(dāng)激光能量密度大于一特定能量密度Ec時(shí)，施加的能量足以使非晶硅薄膜12完全熔化，不會(huì)留下可能生長成晶粒的固體籽晶。然后，在接收到強(qiáng)能量激光束時(shí)被熔化的硅薄膜12’經(jīng)歷迅速冷卻過程，產(chǎn)生許多均勻的晶核35，隨之產(chǎn)生精細(xì)的晶粒30。
同時(shí)，采用脈沖式激光的受激準(zhǔn)分子激光退火方法主要用于激光結(jié)晶，近來出現(xiàn)并且受到廣泛關(guān)注的還有一種連續(xù)橫向固化(SLS)方法，通過在水平方向上生長晶粒以顯著改善結(jié)晶特性。
連續(xù)橫向固化(SLS)方法利用了晶粒從液相硅與固相硅之間界面上橫向生長的特點(diǎn)(Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，and James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.proc.Vol.452，956到957，1997)。按照這種方法，控制激光能量密度和激光束的照射范圍，晶粒按預(yù)定長度橫向生長，從而增大硅粒的尺寸。
這種SLS是橫向固化(LS)的一個(gè)例子，以下要參照


有關(guān)LS的結(jié)晶機(jī)理。圖5A到5C的截面圖表示按照現(xiàn)有技術(shù)的順序結(jié)晶過程。
參照圖5A，如果激光具有在圖1中第三區(qū)(III)內(nèi)的能量密度，能夠完全熔化非晶硅薄膜112的能量密度照射在非晶硅薄膜112的一部分上，非晶硅薄膜的該部分完全熔化?？梢杂靡粯?gòu)圖掩模形成激光照射區(qū)和激光非照射區(qū)。此時(shí)如圖5B和5C所示，由于激光有足夠的能量，受激光照射的非晶硅薄膜112會(huì)完全熔化。然而，激光束是按一定間隔照射在非晶硅薄膜112上的，晶體從激光器非照射區(qū)(固相)的硅薄膜112與熔化的硅薄膜112’(液相)之間的界面上生長。
該界面為這種結(jié)晶提供晶核。換句話說，熔化的非晶硅薄膜112’在激光束照射之后立即從左/右界面即激光非照射區(qū)的界面上開始冷卻。這是因?yàn)楣滔喾蔷Ч璞∧?12的熱傳導(dǎo)率比緩沖層111或是硅薄膜112和112’下面的玻璃基板要高。因此，在水平固相與液相之間界面上而不是中心部位的熔化的硅薄膜112’首先到達(dá)晶核形成溫度，在相應(yīng)的部分形成晶核。在形成晶核之后，顆粒130A和130B從低溫側(cè)到高溫側(cè)水平生長，也就是從界面到中心部位。由于橫向結(jié)晶能夠形成大尺寸的顆粒130A和130B，并且這一過程是用第三區(qū)的能量密度進(jìn)行的，與其它區(qū)域相比，工序余量不受限制。然而，SLS存在以下問題。
也就是說，結(jié)晶是通過微小和重復(fù)地移動(dòng)掩?；蚬ぷ髋_(tái)以增大晶粒尺寸來執(zhí)行的。結(jié)果會(huì)使大尺寸非晶硅薄膜的結(jié)晶加工時(shí)間延長，并且會(huì)降低產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提供了一種激光掩模及使用其的結(jié)晶方法，能夠基本上解決因現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點(diǎn)帶來的一個(gè)或多個(gè)問題。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供了一種激光掩模及使用其的結(jié)晶方法，能夠改善硅薄膜的結(jié)晶特性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是提供了一種液晶顯示器件，其包括用所述結(jié)晶方法制造的具有改善的結(jié)晶特性的硅薄膜。
以下要說明本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)，一部分可以從說明書中看出，或者是通過對本發(fā)明的實(shí)踐來學(xué)習(xí)。采用說明書及其權(quán)利要求書和附圖中具體描述的結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)并達(dá)到本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點(diǎn)。
為了按照本發(fā)明的意圖實(shí)現(xiàn)上述目的和其它優(yōu)點(diǎn)，以下要具體和廣泛地說明，一種激光掩模包括第一到第四塊，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案。
在這種激光器掩模中，具有位置‘A’的第一掩模圖案、具有位置‘B’的第二掩模圖案、具有位置‘C’的第三掩模圖案和具有位置‘D’的第四掩模圖案分別形成在第一到第四塊內(nèi)，并且位置‘A’到‘D’彼此不同。
按照本發(fā)明的另一方面，一種結(jié)晶方法包括提供具有硅薄膜的基板；將具有第一到第四塊的激光掩模設(shè)置在基板上，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案；并且通過該激光掩模用激光束照射硅薄膜使其結(jié)晶。
按照本發(fā)明的再一方面，一種顯示器件包括彼此交叉以形成像素的柵線和數(shù)據(jù)線；靠近交叉點(diǎn)的薄膜晶體管(TFT)，該TFT包括多晶硅層，該多晶硅層包括多個(gè)圓形晶體，四個(gè)毗鄰的圓形晶體的中心構(gòu)成一等邊矩形。
按照本發(fā)明的又一方面，一種顯示器件包括彼此交叉以形成像素的柵線和數(shù)據(jù)線；靠近交叉點(diǎn)的薄膜晶體管(TFT)，該TFT包括多晶硅層，該多晶硅層包括具有多邊形的多個(gè)晶體，并且四個(gè)毗鄰晶體的中心構(gòu)成一等邊矩形。
按照本發(fā)明的另一方面，一種顯示器件的制造方法包括在基板上形成多條柵線和數(shù)據(jù)線，柵線和數(shù)據(jù)線彼此交叉以限定像素；并且在像素中各交叉點(diǎn)附近形成薄膜晶體管(TFT)，這一步驟還包括提供一具有硅薄膜的基板，將具有第一到第四塊的激光掩模設(shè)置在基板上，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案，通過該激光掩模用激光束照射硅薄膜使其結(jié)晶。
應(yīng)該意識(shí)到，以上的概述和下文的詳細(xì)說明都是解釋性的描述，都是為了進(jìn)一步解釋所要求保護(hù)的發(fā)明。

所包括的用于便于理解本發(fā)明并且作為本申請一個(gè)組成部分的附圖表示了本發(fā)明的實(shí)施例，連同說明書一起可用來解釋本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1的曲線表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸與用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之間的關(guān)系；圖2到圖4的截面圖表示按照圖1的激光器能量密度的硅結(jié)晶機(jī)理；圖5A到5C的截面圖表示按照現(xiàn)有技術(shù)的一種連續(xù)結(jié)晶過程；圖6A的平面圖表示用于連續(xù)橫向固化(SLS)的一例激光掩模；圖6B的平面圖表示用圖6A的掩模結(jié)晶的硅薄膜；圖7的放大平面圖表示圖6B中結(jié)晶硅薄膜的部分“E”；圖8A到8C的平面圖表示用圖6A的掩模使硅薄膜結(jié)晶的順序過程；圖9A表示按照本發(fā)明的激光掩模中構(gòu)成周期性圖案的一種方法；
圖9B的示意圖表示圖9A中透射區(qū)之間的尺寸和距離；圖10表示構(gòu)成具有四塊的激光器掩模的一種方法，每一塊具有圖9A中的一個(gè)掩模圖案；圖11A到11D表示按照圖10所述方法構(gòu)成的四塊激光掩模；圖12A到12D表示用圖11A到11D中所述方法使硅薄膜結(jié)晶的過程；圖13A表示按照本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)成激光器掩模的一種方法；圖13B表示按圖13A所述的圖案構(gòu)成方法制造的一例激光掩模；圖14A到14G表示用圖13B的激光掩模使硅薄膜結(jié)晶的順序過程；圖15的平面圖表示一種液晶顯示面板的結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)電路與LCD面板的陣列基板集成在一起；圖16表示用按照本發(fā)明的結(jié)晶方法結(jié)晶的硅薄膜制造的一例LCD器件。
具體實(shí)施例方式
以下要參照附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。
圖6A的平面圖表示用于連續(xù)橫向固化(SLS)的一例激光掩模，與現(xiàn)有技術(shù)相比能縮短結(jié)晶時(shí)間。參照圖6A，激光掩模270包括狹縫型圖案275，其具有預(yù)定的寬度和長度的矩形透射區(qū)273。激光掩模270包括兩個(gè)透光的矩形透射區(qū)273和用于遮光的遮擋區(qū)274。透過狹縫275的透射區(qū)273的激光束按照透射區(qū)273的形狀(例如是矩形)使硅薄膜結(jié)晶。
然而，參照圖6B，由于激光束的衍射，結(jié)晶硅薄膜的邊沿部位(E)具有不同于掩模圖案(狹縫275)的圓形。以下要詳細(xì)說明。為了參照，圖6B中所示結(jié)晶硅薄膜邊沿部位(E)上的虛線表示用于結(jié)晶的掩模270的狹縫275的形狀。
圖7的放大平面圖表示圖6B中結(jié)晶硅薄膜的部分“E”。如圖7所示，邊沿部分(E)的中心區(qū)域‘A’具有類似于狹縫275的結(jié)晶圖案，因?yàn)榧す馐哪芰棵芏茸阋酝耆刍徽丈涞墓璞∧?。然而，激光束在狹縫275的邊沿部分(E)角上的區(qū)域‘B’處會(huì)衍射。因此，激光束沒有足夠的能量密度完全熔化硅薄膜。結(jié)果就會(huì)形成凸起或圓形的邊沿部分(E)。換句話說，由于結(jié)晶硅薄膜的圓形邊沿部分(E)中的晶粒是由熔化的非晶硅界面上靠近非晶硅薄膜(固相)形成的晶核生長的，第二晶粒230B會(huì)朝著不同于第一晶粒230A的方向生長。也就是說，第二晶粒230B的結(jié)晶特性不同于第一晶粒230A，并因此在結(jié)晶硅薄膜中出現(xiàn)一個(gè)斷續(xù)區(qū)。此時(shí)，由于斷續(xù)區(qū)具有寬度(W)，結(jié)晶硅薄膜的凸起邊沿部分(E)具有不同的結(jié)晶特性，按照LCD器件對硅薄膜的要求，需要縮小斷續(xù)區(qū)的寬度(W)。
以下要描述用上述掩模使硅薄膜結(jié)晶的結(jié)晶過程。圖8A到8C的平面圖表示用圖6A的掩模使硅薄膜結(jié)晶的順序過程。
首先，如圖8A所示，將圖6A的掩模270定位在基板210上，用第一激光束照射，使形成在基板210上的非晶硅薄膜212結(jié)晶。此時(shí)的結(jié)晶區(qū)對應(yīng)著掩模270的透射區(qū)273，如果掩模270有兩個(gè)透射區(qū)，結(jié)晶區(qū)就有兩個(gè)在水平方向上具有預(yù)定長度的結(jié)晶區(qū)。換句話說，如果用包括矩形狹縫275的掩模270在基板210的表面上照射第一激光束，透過狹縫275受到第一激光束照射的硅薄膜就具有由位于上、下邊界面上的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的晶核橫向生長(垂直于圖8A)的第一晶粒230A。此時(shí)，如上所述，由于激光束的衍射，結(jié)晶硅薄膜212’的邊沿部分具有不同于掩模圖案狹縫275的形狀的圓形，并且從溶化的非晶硅邊界表面的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的晶核開始，第二晶粒230B沿不同于第一晶粒230A的方向生長。也就是說，第二晶粒230B的結(jié)晶特性不同于第一晶粒230A，并且在結(jié)晶硅薄膜中存在一個(gè)斷續(xù)區(qū)。
在完成第一結(jié)晶之后，按照不大于掩模270圖案的水平長度(狹縫275的寬度)的短距離上移動(dòng)工作臺(tái)(未表示)或者位于基板210上方的掩模270，然后用第二激光束照射，在‘X’軸方向上繼續(xù)結(jié)晶過程。例如，在‘X’軸方向上移動(dòng)工作臺(tái)使其與按狹縫圖案結(jié)晶的硅薄膜212’的斷續(xù)區(qū)280重疊之后，用第二激光束照射基板210的表面。
然后如圖8B所示，在‘X’軸方向上形成與通過第一結(jié)晶形成的結(jié)晶硅薄膜212’具有相同圖案的第二結(jié)晶圖案212”，同時(shí)與第一結(jié)晶硅薄膜212’的斷續(xù)區(qū)280重疊。然后，若是按如上參照第一激光束所述的相同方式用第三激光束照射基板210的表面，就能形成與按照第二結(jié)晶形成的結(jié)晶硅薄膜212”具有相同圖案的第三結(jié)晶圖案212，同時(shí)與第二結(jié)晶硅薄膜212”的斷續(xù)區(qū)280重疊。此時(shí)，斷續(xù)區(qū)280越寬，下一束激光束的重疊區(qū)域就越寬，這樣會(huì)增加總的加工時(shí)間。結(jié)晶硅薄膜212’，212”和212的斷續(xù)區(qū)280具有不同的結(jié)晶特性，從這一點(diǎn)來看，由于斷續(xù)區(qū)280周圍的硅薄膜212仍處在沒有結(jié)晶的非晶體狀態(tài)，下一束激光束需要覆蓋這些斷續(xù)區(qū)280。
在完成‘X’軸方向的結(jié)晶過程之后，在‘Y’軸方向上(對于移動(dòng)工作臺(tái)的情況是在‘-Y’軸方向上移動(dòng))按預(yù)定距離移動(dòng)掩模270或工作臺(tái)。然后如圖8C所示從完成第一結(jié)晶過程的那點(diǎn)起開始在‘X’軸方向上再次執(zhí)行激光器照射過程。
在反復(fù)執(zhí)行上述結(jié)晶過程時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，即多晶硅薄膜有多個(gè)具有正常顆粒的第一區(qū)(P1)和多個(gè)具有斷續(xù)區(qū)的第二區(qū)(P2)，后者具有不同的結(jié)晶特性，并且位于第一區(qū)P1之間。也就是說，如果用具有這些斷續(xù)區(qū)的硅薄膜制成LCD器件，LCD器件存在特性不均勻的問題，致使LCD器件的質(zhì)量存在缺陷。另外，由于斷續(xù)區(qū)周圍的硅薄膜仍處在非晶硅狀態(tài)而沒有結(jié)晶，需要下一束激光束覆蓋這些斷續(xù)區(qū)280。斷續(xù)區(qū)彼此重疊的這些重疊區(qū)(稱為X-重疊區(qū))會(huì)產(chǎn)生照射標(biāo)記。如果將其用于LCD器件或有機(jī)發(fā)光二極管，這種照射標(biāo)記會(huì)降低圖像質(zhì)量并產(chǎn)生不均勻的器件特性。
同時(shí)，盡管在上述結(jié)晶過程中沒有解釋，晶?？梢栽凇甕’軸方向上延伸，并且掩模在‘Y’軸方向上重疊，以便增大晶粒的尺寸，因此可以反復(fù)執(zhí)行結(jié)晶。然而，在這種情況下會(huì)在‘Y’軸方向上的重疊區(qū)(稱為Y-重疊區(qū))內(nèi)產(chǎn)生照射標(biāo)記。
在采用圖9中所示的單一掃描方法的激光掩模370以及在采用上述過渡方法(多次掃描方法)時(shí)，照射標(biāo)記也是一個(gè)嚴(yán)重問題。因此，在激光束重疊的各結(jié)晶方法中都需要解決照射標(biāo)記的問題。本發(fā)明為此提供了一種激光掩模及使用其的結(jié)晶方法，不會(huì)在結(jié)晶硅薄膜內(nèi)形成這種重疊區(qū)。為此，按照本發(fā)明的激光掩模具有周期性圖案。
按照本發(fā)明的激光掩模分為四塊，每塊都具有周期性圖案。激光束分四次照射在硅薄膜上，每次使用四塊之一。由于采用了周期性圖案的掩模，采用上述方法(“四次照射結(jié)晶方法”或“四次照射”方法)結(jié)晶的硅薄膜具有均勻的結(jié)晶特性，沒有X-重疊或Y-重疊區(qū)。如下文所述的由周期性掩模圖案和四次照射方法形成的結(jié)晶硅薄膜具有迅速生長的均勻晶粒，沒有照射標(biāo)記。
首先，要說明在激光掩模中構(gòu)成這種周期性圖案的方法。圖9A和9B表示按照本發(fā)明在激光掩模中構(gòu)成周期性圖案的一種方法。激光掩模有四塊，每塊具有各自的周期性圖案。
參照圖9A，按照本發(fā)明的激光掩模包括多個(gè)具有圓形的透射區(qū)。激光掩模被分為四塊以解決照射標(biāo)記問題。在第一塊內(nèi)形成位置為‘A’的透射區(qū)375A，并在第二塊內(nèi)形成位置為‘B’的透射區(qū)375B、位置為‘C’的透射區(qū)375C或位置為‘D’的透射區(qū)375D。在第三塊內(nèi)形成不同于第一和第二區(qū)內(nèi)的透射區(qū)的透射區(qū)。換句話說，如果在第一和第二塊內(nèi)形成位置為‘A’和‘B’的透射區(qū)，就在第三塊內(nèi)形成位置為‘C’或‘D’的透射區(qū)。在第四塊內(nèi)形成不同于第一到第三區(qū)內(nèi)的透射區(qū)的透射區(qū)。換句話說，如果第三塊具有位置為‘C’的透射區(qū)，第四塊就具有位置為‘D’的透射區(qū)，反之，如果第三塊具有位置為‘D’的透射區(qū)，第四塊就具有位置為‘C’的透射區(qū)。
在圖9A中，參照具有位置為‘A’(以下稱為‘參考點(diǎn)’)的透射區(qū)的掩模圖案375A，掩模圖案375B、375C和375D在激光掩模中按逆時(shí)針設(shè)置。然而本發(fā)明不限于此，按照本發(fā)明實(shí)施例的激光掩模有四塊，每塊具有四個(gè)掩模圖案375A、375B、375C和375D之一。
按照圖9A所示的結(jié)構(gòu)，如果四個(gè)掩模圖案375A到375D的四個(gè)透射區(qū)被投影在一塊內(nèi)，就構(gòu)成一等邊矩形。相對于參考點(diǎn)而言，兩個(gè)掩模圖案375B和375C的透射區(qū)被定位在第一鄰接區(qū)(即最靠近參考點(diǎn)的四個(gè)區(qū))，而位置為‘D’的第四掩模圖案375D的透射區(qū)被定位在矩形對角線方向上的第二鄰接區(qū)內(nèi)。換句話說，在第一塊內(nèi)形成的掩模圖案375A的透射區(qū)被定位在矩形的一個(gè)頂點(diǎn)上，而其它圖案375B到375D的透射區(qū)被定位在矩形的其它頂點(diǎn)上，如圖9A所示。
同時(shí)，為了用激光掩模通過四次照射完成非晶硅的結(jié)晶且沒有照射標(biāo)記，四個(gè)周期性圖案375A到375D的尺寸和間隔應(yīng)該滿足一定關(guān)系。參見下文所述。
圖9B的示意圖表示圖9A中透射區(qū)之間的尺寸和距離，以位置為‘A’的透射區(qū)為例。如圖所示，假定位置為‘A’的透射區(qū)375A的半徑是‘R’，而透射區(qū)375A中心之間的距離是‘L’，為了能使非晶硅薄膜的整個(gè)區(qū)域結(jié)晶，透射區(qū)的半徑‘R’應(yīng)該滿足公式(1)。
公式(1)L22≤R<L2]]>如果掩模圖案(375A到375D)的透射區(qū)半徑(R)小于 四次照射就不能使整個(gè)區(qū)域結(jié)晶，如果半徑(R)大于L/2，掩模圖案(375A到375D)則會(huì)彼此接觸。
以下要詳細(xì)解釋在四塊中具有四種掩模圖案的激光掩模。圖10表示構(gòu)成具有四塊的激光掩模的一種方法，每塊具有圖9A的掩模圖案之一。
如圖所示，掩模圖案475A到475D按6行×6列矩陣結(jié)構(gòu)設(shè)置為如圖9A所示的等邊矩形。在第一行，位置為‘A’的掩模圖案475A的透射區(qū)和位置為‘C’的掩模圖案475C的透射區(qū)從位置為‘A’的掩模圖案475A的透射區(qū)開始反復(fù)交替地設(shè)置在‘X’軸方向上。對于第二行，在‘Y’軸方向上移動(dòng)過對應(yīng)于第一行中掩模圖案475A和475C的等邊矩形側(cè)邊長度(L’)的距離之后，將掩模圖案475B和475D的透射區(qū)反復(fù)交替地設(shè)置。換句話說，在第二行中，在Y軸方向上移動(dòng)L’之后，位置‘B’的掩模圖案475B和位置‘D’的掩模圖案475D在X軸方向上重復(fù)設(shè)置。第一和第三行(即奇數(shù)行)具有相同的結(jié)構(gòu)，而第二和第四行(即偶數(shù)行)具有相同的結(jié)構(gòu)。
同時(shí)，在第一列，掩模圖案475A和475B的透射區(qū)從位置為‘A’的掩模圖案475A的透射區(qū)開始反復(fù)交替設(shè)置。在偶數(shù)列中，掩模圖案475C和475D的透射區(qū)反復(fù)交替設(shè)置，在這種情況下，偶數(shù)列在X軸方向上從奇數(shù)列移動(dòng)了距離L(也就是等邊矩形側(cè)邊的長度)。第一和第三列(即奇數(shù)列)具有相同的結(jié)構(gòu)，而第二和第四列(即偶數(shù)列)具有相同的結(jié)構(gòu)。
將這樣的四個(gè)周期性掩模圖案在激光掩模的四塊中定位，并且將該激光掩模應(yīng)用于四次照射結(jié)晶方法中，就能獲得沒有X-重疊或Y-重疊的結(jié)晶硅薄膜。以下要詳細(xì)說明。
圖11A到11D表示按照圖10中所示方法構(gòu)成的激光掩模中的四塊。
在激光掩模中，在第一塊480’內(nèi)形成位置為‘A’的掩模圖案475A，在第二塊480”內(nèi)形成位置為‘B’的掩模圖案475B，在第三塊480內(nèi)形成位置為‘C’的掩模圖案475C，在第四塊480””內(nèi)形成位置為‘D’的掩模圖案475D。這種設(shè)置方法僅僅是本發(fā)明的一個(gè)例子，采用這種掩模按四次照射結(jié)晶方法就能使硅薄膜結(jié)晶，沒有照射標(biāo)記。
各塊(480’到480””)包括掩模圖案473A到473D之一的多個(gè)圓形透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)。第一塊480’包括位于圖10中(2N-1)(N＝1，2，3)行×(2N-1)列中位置為‘A’的掩模圖案475A的透射區(qū)。第二塊480”包括位于(2N)行×(2N-1)列中位置為‘B’的掩模圖案475B的透射區(qū)。第三塊580包括位于(2N-1)行×(2N)列中位置為‘C’的掩模圖案475C的透射區(qū)。第四塊480””包括位于2N行×2N列中位置為‘D’的掩模圖案475D的透射區(qū)。
盡管掩模圖案475A到475C的透射區(qū)在圖中具有圓形，也可以不受限制地由規(guī)則的多邊形構(gòu)成，例如有正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。另外在圖中，盡管圓形掩模圖案475A到475D的半徑(R)是 只要R與L之間的關(guān)系滿足公式(1)，就不受此限制。
圖12A到12D表示用圖11A到11D的激光掩模使硅薄膜結(jié)晶的過程。用上述四塊激光掩模結(jié)晶的硅薄膜具有均勻的結(jié)晶特性，沒有照射標(biāo)記。
首先，如圖12A所示，在第一激光束通過形成在第一塊480內(nèi)位置‘A’的掩模圖案475A(也就是掩模圖案475A的透射區(qū)473A)照射在基板410上的硅薄膜上時(shí)，用位于邊界面上的非晶硅薄膜(固相)412作為晶核朝向圓形圖案475A的中心生長晶粒，形成具有圓形的第一多晶硅晶體412’。由這一第一結(jié)晶形成的結(jié)晶區(qū)對應(yīng)著激光器掩模的透射區(qū)473A。因此，如果在激光器掩模的第一塊內(nèi)有九個(gè)透射區(qū)，就會(huì)在硅薄膜412中形成九個(gè)具有圓形的多晶硅晶體412’。
在完成第一結(jié)晶之后，通過圖11B的第二塊480”用第二激光束照射具有第一多晶硅晶體的硅薄膜412’。第二結(jié)晶采用在位置‘B’形成掩模圖案475B的第二塊480”，不用在X或Y方向上移動(dòng)基板。如圖12B中所示，顆粒從第一多晶硅晶體412’的圖案的圓周上開始朝著第二塊480”的掩模圖案475B的中心生長，形成第二多晶硅晶體412”。第二結(jié)晶使得兩個(gè)第一晶體412’位于第二晶體412”的上、下兩側(cè)，并且第二結(jié)晶從位置‘B’的掩模圖案475B與兩個(gè)第一晶體412’重疊的區(qū)域開始。結(jié)果，第二晶體412”就會(huì)朝著位置‘B’的掩模圖案475B的中心生長。
接著在位置‘C’形成了掩模圖案475C的第三塊480用第三激光束照射具有第一和第二晶體412’和412”的硅薄膜412。然后如圖12C所示，晶粒從通過第一結(jié)晶的硅薄膜412’的圓周開始朝著第三塊480的掩模圖案475C的中心生長，形成第三結(jié)晶晶體412。第三結(jié)晶是使第一晶體412’位于第三晶體的左、右兩側(cè)，并且第三結(jié)晶是用第三次照射從兩個(gè)第一晶體412’與位置為‘C’的掩模圖案475C重疊的區(qū)域開始。這樣就能朝向位置為‘C’的掩模圖案475C的中心形成第三晶體412。按照這種方式，用通過第一結(jié)晶的第一晶體412’作為晶核朝向掩模圖案475B和475C的中心生長第二和第三晶體412”和412。如果掩模圖案475A到475D的透射區(qū)的半徑尺寸大于特定尺寸，用第三照射形成的第三晶體412就會(huì)與第二晶體412”和第一晶體412’有部分重疊。然而，即便是在這種情況下，第三晶體412的顆粒仍會(huì)以通過第一結(jié)晶的第一晶體412’和通過第二結(jié)晶的第二晶體412”作為晶核朝向位置為‘C’的掩模圖案475C的中心生長。
最后通過在位置‘D’形成掩模圖案475D的第四塊480””用第四激光束照射具有第一到第三結(jié)晶晶體412’到412的硅薄膜。由此如圖12D所示，晶粒從通過第二結(jié)晶的第二晶體412”和通過第三結(jié)晶結(jié)晶的第三晶體412的圓周上開始，朝向第四塊480””的掩模圖案475D的中心生長，形成第四結(jié)晶晶體412””。按照這種方式，四次照射方法用激光掩模完成硅薄膜在基板410上的結(jié)晶，沒有X-重疊或Y-重疊，也就是沒有照射標(biāo)記。
如上所述，激光掩模有四塊，每塊都具有周期性圖案。此時(shí)，用四次照射方法形成的第一到第四晶體412’到412””具有與掩模圖案475A到475D相同的圓形，因此，結(jié)晶硅薄膜具有徑向生長的均勻晶粒。
以下要描述按照本發(fā)明的激光掩模和用其使大尺寸硅薄膜結(jié)晶的一種方法。圖13A表示按照本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)成激光掩模的一種方法。
參見圖13A，位置‘A’的掩模圖案575A形成在正方形實(shí)線表示的第一塊580’內(nèi)，位置‘B’的掩模圖案575B形成在第二塊580”內(nèi)，位置‘C’的掩模圖案575C形成在第三塊580內(nèi)，而位置‘D’的掩模圖案575D形成在第四塊580””內(nèi)。按照圖9A或圖10所示的圖案構(gòu)成方法，四個(gè)掩模圖案575A到575D形成在激光掩模的四塊580’到580””內(nèi)。
在第一塊580’內(nèi)，九個(gè)圓形透射區(qū)(位置‘A’上的掩模圖案575A)設(shè)置成3行×3列矩陣結(jié)構(gòu)。在相對于第一塊580’的位置‘A’上的掩模圖案575A朝下移動(dòng)一個(gè)等于等邊矩形(也就是用虛線表示的小等邊矩形)一邊的距離之后，在第二塊580”中形成位置為‘B’的掩模圖案575B的透射區(qū)。和位置‘A’的掩模圖案575A一樣，按3行×3列矩陣結(jié)構(gòu)形成掩模圖案575B的總共9個(gè)透射區(qū)。在第三塊內(nèi)，在相對于第一塊580’的位置‘A’上的掩模圖案575A朝右移動(dòng)一個(gè)等于等邊矩形一邊的距離之后，形成位置為‘C’的掩模圖案575C的透射區(qū)。按3行×3列矩陣結(jié)構(gòu)形成掩模圖案575C的9個(gè)透射區(qū)。最后，在相對于第一塊580’的位置‘A’上的掩模圖案575A朝右下移動(dòng)一個(gè)等于等邊矩形一邊的距離之后，在第四塊中形成位置為‘D’的掩模圖案575D的透射區(qū)。按3行×3列矩陣結(jié)構(gòu)形成掩模圖案575D的9個(gè)透射區(qū)。
掩模圖案575A到575D的透射區(qū)的位置對應(yīng)著第一塊580’內(nèi)用虛線表示的矩形的位置。相對于位于第一塊580’的N行×M列中的圖案575A，位于第二塊580”的N行×M列中位置‘B’的掩模圖案575B在Y軸方向上移動(dòng)了等邊矩形一邊的長度，位于第三塊580的N行×M列中位置‘C’的掩模圖案575C朝右(也就是-X軸方向)移動(dòng)了等邊矩形一邊的長度，而位于第四塊580””的N行×M列中位置‘D’的掩模圖案575D朝-X和Y軸方向移動(dòng)了等邊矩形一邊的長度。換句話說，如果掩模圖案575B到575D形成在第一塊580’內(nèi)，掩模圖案575B到575D從掩模圖案575A起朝X軸向、Y軸向以及X和Y軸向移動(dòng)了預(yù)定距離(也就是等邊矩形一邊的長度)。
在附圖中，還要在實(shí)線所示的四塊580’到580””之外形成掩模圖案575A到575D。四塊580’到580””是用于在激光掩模上構(gòu)成周期性圖案575A到575D的虛擬區(qū)域，因此，可以按照激光設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)等加工條件重新設(shè)置掩模圖案575A到575D。
塊580’到580””可以在四次照射結(jié)晶方法中用作下一次照射的參考。因此，朝X軸方向的移動(dòng)距離(也就是X-步進(jìn)距離(Dx))大致等于正方形水平一側(cè)(一塊)的長度，而朝Y軸方向的移動(dòng)距離(也就是Y-步進(jìn)距離(Dy))大致等于正方形垂直一側(cè)(一塊)的長度。X-步進(jìn)距離(Dx)代表用于四次照射方法的激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)在X軸方向上的移動(dòng)距離，而Y-步進(jìn)距離(Dy)代表在X-軸結(jié)晶之后為了進(jìn)行Y-軸方向結(jié)晶使激光掩模或工作臺(tái)在Y軸方向上的移動(dòng)距離。Y-步進(jìn)距離(Dy)還代表激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)在Y軸方向上的移動(dòng)距離，使得硅薄膜上在X-軸方向結(jié)晶過程中沒有受四次照射激的光束照射的下部區(qū)域能夠按四次照射方法結(jié)晶。為了消除X-重疊或Y-重疊，在確定X-步進(jìn)距離(Dx)和Y-步進(jìn)距離(Dy)時(shí)要考慮到四塊580’到580””的周期性。
以下用一個(gè)例子來描述上述具有四個(gè)掩模圖案的激光掩模。圖13B表示參照圖13A的圖案構(gòu)成方法制造的一例激光掩模。
如上所述，用按照本發(fā)明一實(shí)施例的掩模構(gòu)成方法形成的激光掩模570具有四塊，即位置‘A’的掩模圖案575A，位置‘B’的掩模圖案575B，位置‘C’的掩模圖案575C和位置‘D’的掩模圖案575D。激光掩模570遮擋按一定周期性形成的掩模圖案575A到575D的透射區(qū)以外的激光束。掩模570可以用遮光的金屬制成，例如是鉻，鋁等等。盡管在激光掩模570的每一塊內(nèi)形成9個(gè)透射區(qū)，考慮到激光設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)等加工條件，也可以在每塊內(nèi)形成9個(gè)以上的透射區(qū)。
以下要描述用這種激光掩模使大尺寸硅薄膜結(jié)晶的一種方法。圖14A到14G表示用圖13B的激光掩模使硅薄膜結(jié)晶的順序過程。
如圖所示，為了便于解釋，用實(shí)線代表四個(gè)塊。這樣，用每一塊由正方形實(shí)線標(biāo)識(shí)。在本例中，左起第一塊580’對應(yīng)著位置‘A’的掩模圖案，第二塊580”對應(yīng)著位置‘B’的掩模圖案，第三塊580對應(yīng)著位置‘C’的掩模圖案，而第四塊580””對應(yīng)著位置‘D’的掩模圖案。
參見圖14A，通過圖13B中所示的激光掩模用激光束照射淀積在基板510上的硅薄膜512，執(zhí)行第一結(jié)晶。此時(shí)，如上所述，激光束所具有的能量密度對應(yīng)著完全熔化區(qū)，并且用位于邊界面上的非晶硅(固相)薄膜512作為晶核使晶體朝著圓圈中心生長，從而在第一照射區(qū)(P1)內(nèi)形成多晶硅第一晶體512’。第一晶體512’具有徑向晶粒。在這種情況下，第一照射區(qū)(P1)在整體上不會(huì)結(jié)晶，但會(huì)按照掩模570的圖案形成多個(gè)圓形的第一晶體512’。具體地說，由第一結(jié)晶形成的結(jié)晶區(qū)對應(yīng)著掩模570的透射區(qū)。因此，如果具有四塊580’到580””的掩模有36個(gè)透射區(qū)，硅薄膜就也會(huì)有36個(gè)多晶硅晶體512’，每個(gè)晶體具有預(yù)定的半徑。
在完成第一結(jié)晶之后，將安裝基板的工作臺(tái)(未表示)或掩模570朝X-軸方向移動(dòng)一距離，該距離等于正方形(一塊)的邊長，并等于X-步進(jìn)距離(Dx)，然后照射第二激光束。例如，如果工作臺(tái)朝著“-X”軸方向移動(dòng)X-步進(jìn)距離(Dx)，使第三塊形成的位置‘C’的第一晶體512’與第四塊中位置‘D’的掩模圖案重疊。然后，用第二激光束照射基板表面，就會(huì)形成如圖14B所示與第一晶體512’具有相同形狀的第二晶體512”。此時(shí)，第二晶體512”的位置相對于第一晶體512’偏移了X-步進(jìn)距離(Dx)，使第二晶體512”與第一晶體512’局部重疊。
圖14B中第一激光照射和第二激光照射彼此重疊的兩個(gè)中心區(qū)也就是第一照射區(qū)(P1)和第二照射區(qū)(P2)彼此重疊的區(qū)域(在這種情況下排除第一照射區(qū)P1和第二照射區(qū)P2彼此不重疊的區(qū)域)受到第二照射激光束的照射，晶體從第一晶體512’的圓周開始朝向第二照射的掩模570的圖案的中心生長，形成多晶硅第二晶體512”。換句話說，通過第一結(jié)晶的兩個(gè)第一晶體512’位于第二晶體512”的上下兩側(cè)，而第二結(jié)晶是從掩模圖案與兩個(gè)第一晶體512’彼此重疊的區(qū)域520’開始，由此形成朝著掩模圖案(參見圖12B)中心生長的第二晶體512”。在圖14B中，在第二照射過程中用掩模570的第一塊形成的晶體是第一晶體而不是第二晶體。
接著，將工作臺(tái)或掩模570朝X-軸方向再次移動(dòng)X-步進(jìn)距離(Dx)，然后用第三激光束照射硅薄膜512。此時(shí)，由第二塊形成的位置‘B’的第一晶體512’與第四塊中位置‘D’的掩模圖案重疊。然后，如圖14C所示形成和第一晶體512’具有相同形狀的第三晶體512。第三晶體512的位置相對于第一晶體512’偏移了X-步進(jìn)距離(Dx)，并因此與第一晶體512’和第二晶體512”局部重疊。
此時(shí)，圖14C中第一到第三激光束照射的兩個(gè)中心區(qū)彼此重疊，也就是說，第一照射區(qū)(P1)、第二照射區(qū)(P2)和第三照射區(qū)(P3)彼此重疊的區(qū)域受到第三照射激光束的照射，因此，第三晶體從第一和第二晶體512’和512”的圓周上開始朝著掩模570的圖案中心生長，形成多晶硅第三晶體512。在兩個(gè)中心區(qū)的左側(cè)區(qū)域，通過第一結(jié)晶的第一晶體512’是位于第三晶體512的左、右兩側(cè)，而第三結(jié)晶從區(qū)域520”開始，其中按照第三照射的掩模圖案與兩個(gè)第一晶體512”重疊，從而形成朝掩模圖案(參見圖12C)中心生長的第三晶體512。另外，在兩個(gè)中心區(qū)域的右側(cè)區(qū)域，通過第一和第二結(jié)晶而成的四個(gè)第一晶體512’是位于第三晶體512的上/下和左/右側(cè)，第三結(jié)晶從第三照射的掩模圖案與四個(gè)第一晶體512’彼此重疊的區(qū)域520”開始，從而形成朝向掩模圖案中心生長的第三晶體512。
接著將工作臺(tái)或掩模570朝X-軸方向再移動(dòng)X-步進(jìn)距離(Dx)，然后照射第四激光束，繼續(xù)執(zhí)行X-方向上的結(jié)晶。此時(shí)，由第一塊形成的位置為‘A’的第一晶體512’與第四塊中位置為‘D’的掩模圖案重疊。如圖14D中所示形成與第一晶體512’具有相同形狀的第四晶體512””。第四晶體512””的位置相對于第一晶體512’偏移了X-步進(jìn)距離(Dx)，因此與第一、第二和第三晶體512’、512”和512的一部分重疊。
此時(shí)，第一到第四激光照射彼此重疊的中心區(qū)域，也就是第一照射區(qū)(P1)、第二照射區(qū)(P2)、第三照射區(qū)(P3)和第四照射區(qū)(P4)彼此重疊的區(qū)域受到第四照射的激光束的照射，第四晶體從通過第二和第三結(jié)晶的第二和第三晶體512”和512的外圍開始朝向掩模圖案570的中心生長，形成第四多晶硅晶體512””。換句話說，通過第二和第三結(jié)晶的四個(gè)第二和第三晶體512”和512是位于第四晶體512的上/下和左/右側(cè)，第四結(jié)晶從第四照射的掩模圖案與四個(gè)第二和第三晶體512”和512重疊的區(qū)域520開始，從而形成朝向掩模圖案中心生長的第四晶體512””(參見圖12D)。
按照這種方式，在X-軸方向上通過四塊激光掩模經(jīng)過四次照射之后，被四次照射的那部分硅薄膜(“四次照射晶體區(qū)”或“四次照射區(qū)”)被結(jié)晶，如圖14D所示沒有X-重疊，也就是沒有照射標(biāo)記。也就是說，完全形成第一晶體512’、第二晶體512”、第三晶體512和第四晶體512””的區(qū)域?qū)?yīng)著已經(jīng)結(jié)晶并且沒有照射標(biāo)記的四次照射區(qū)。
同時(shí)，在X-軸方向上反復(fù)執(zhí)行結(jié)晶過程。然后如圖14E和14F所示，沒有照射標(biāo)記的四次照射區(qū)(P)在X-軸方向上增大。這一四次照射區(qū)(P)是沒有照射標(biāo)記的均勻結(jié)晶區(qū)，它是用具有四塊的激光掩模按四次照射結(jié)晶方法形成的，每塊都具有周期性圖案。
硅薄膜的下部區(qū)域沒有完全被激光束照射。這是因?yàn)榻Y(jié)晶過程是僅僅在X-軸方向上執(zhí)行的。在完成X-軸方向的結(jié)晶過程(X-軸結(jié)晶)之后，如圖14G所示，將掩模570或工作臺(tái)(在移動(dòng)工作臺(tái)的情況下是朝-Y軸方向)朝Y-軸方向移動(dòng)Y-步進(jìn)距離(Dy)，然后在-X軸方向上連續(xù)執(zhí)行以上參照X-軸結(jié)晶所述的結(jié)晶過程，從完成第一X-軸結(jié)晶過程的結(jié)束點(diǎn)開始。
在這種情況下，采用與X-軸結(jié)晶中相同的掩模570連續(xù)執(zhí)行結(jié)晶。掩模570的上部圖案(即形成在遮擋區(qū)以外的圖案)的位置對應(yīng)著在第一X-軸結(jié)晶之后尚未完成激光束照射的下部區(qū)域。這樣就能用-X軸方向的結(jié)晶過程使下部區(qū)域完全結(jié)晶。用這種方法就能形成用-X軸方向上結(jié)晶過程結(jié)晶的下部區(qū)域，沒有Y-重疊。
然后，在X軸方向和Y軸方向上反復(fù)使用上述方法形成期望尺寸的多晶硅。具體地說，四次照射結(jié)晶區(qū)(P)是一種沒有X-重疊或Y-重疊并具有均勻的結(jié)晶特性的結(jié)晶區(qū)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域不包括照射標(biāo)記并且晶體具有徑向晶粒。
在該實(shí)施例中，用具有四塊的激光掩模按四次照射結(jié)晶方法獲得沒有X-重疊或Y-重疊的多晶硅薄膜，每塊具有周期性圖案。盡管掩模圖案具有圓形的透射區(qū)，也可以形成具有規(guī)則多邊形的透射區(qū)，例如是正三角形，正方形，正六邊形，正八角形等等。另外，盡管每一塊有9個(gè)透射區(qū)，每塊內(nèi)透射區(qū)的數(shù)量可以根據(jù)加工條件來改變。
另外，盡管透射區(qū)的半徑(R)是 其中L是透射區(qū)中心之間的距離，只要R與L之間的關(guān)系滿足公式1，就可以改變。在本實(shí)施例中，盡管位置‘A’的掩模圖案、位置‘B’的掩模圖案、位置‘C’的掩模圖案和位置‘D’的掩模圖案是按照掩模的第一到第四塊的順序設(shè)置的，掩模圖案的位置可以改變。另外，只要激光束能四次照射到四個(gè)掩模圖案上，四個(gè)掩模圖案還可以按不同的順序形成。
按照本發(fā)明的上述實(shí)施例所述，激光束通過具有在四塊激光掩模中形成的四個(gè)掩模圖案的激光掩模照射在硅薄膜上。硅薄膜受到激光束四次照射的部分被完全結(jié)晶。四次照射方法包括第一照射的第一結(jié)晶、第二照射的第二結(jié)晶、第三照射的第三結(jié)晶和第四照射的第四結(jié)晶。在第一結(jié)晶中，用位于圓形圖案周圍的非晶硅薄膜(固相)作為晶核朝向該圖案的中心生長晶體，晶核處在圓周的邊界面上。在第二、第三和第四結(jié)晶中，用第一、第二和第三晶體的圓周作為起點(diǎn)朝向掩模圖案的中心生長晶體。在第三結(jié)晶中，晶體也能朝向第三照射的掩模圖案的中心生長，采用按第一結(jié)晶完成結(jié)晶的那一晶體的圓周作為起點(diǎn)。
以下要描述按照本發(fā)明用具有改善的結(jié)晶特性的硅薄膜制造LCD器件的一種方法。圖15的平面圖表示一種液晶顯示面板的結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)電路與LCD面板的陣列基板集成在一起。
如圖所示，集成了驅(qū)動(dòng)電路的LCD面板包括陣列基板820、濾色片基板830以及形成在陣列基板820和濾色片基板830之間的液晶層(未表示)。陣列基板820包括像素單元825、單位像素按矩陣結(jié)構(gòu)設(shè)置的圖像顯示區(qū)以及位于像素單元825外邊沿上的柵驅(qū)動(dòng)電路單元824和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路單元823。盡管圖中沒有表示，陣列基板820的像素單元825包括垂直和水平設(shè)置并在基板820上限定了許多像素區(qū)的多條柵極線和數(shù)據(jù)線。像素單元還包括薄膜晶體管，在柵線和數(shù)據(jù)線的交叉點(diǎn)附近形成開關(guān)元件，以及在像素區(qū)上形成的像素電極。作為開關(guān)元件對像素電極施加信號(hào)電壓的薄膜晶體管(TFT)是一種場效應(yīng)晶體管(FET)，用電場來控制電流。
陣列基板820上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路單元823位于陣列基板820上比濾色片基板830更加突出的長邊一側(cè)，而柵驅(qū)動(dòng)電路單元824位于陣列基板820的短邊一側(cè)。為了適當(dāng)輸出一個(gè)輸入信號(hào)，柵驅(qū)動(dòng)電路單元824和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路單元823采用具有CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)即逆變器的薄膜晶體管。CMOS是一種集成電路，它具有用于高速信號(hào)處理的MOS結(jié)構(gòu)，并且需要P溝道和N溝道晶體管。其速度和密度特性介于NMOS和PMOS之間。作為用于通過柵線和數(shù)據(jù)線為像素電極提供掃描信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的器件，柵驅(qū)動(dòng)電路單元824和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路單元823連接到外部信號(hào)輸入端子(未表示)，控制通過外部信號(hào)端子傳送的外部信號(hào)并將其輸出到像素電極。
盡管圖中沒有表示，用來實(shí)現(xiàn)顏色的濾色片和作為形成在陣列基板820上的像素電極的一個(gè)相對電極的公共電極形成在圖像顯示區(qū)825上。在陣列基板和濾色片基板之間形成一襯墊料，提供均勻的盒間隙。用形成在圖像顯示區(qū)外圍的密封圖案將陣列基板和濾色片基板粘接，形成一單位液晶顯示面板。兩個(gè)基板通過形成在陣列基板或?yàn)V色片基板上的粘接鍵粘接。采用多晶硅薄膜并集成了驅(qū)動(dòng)電路的LCD面板具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如良好的器件特性、良好的圖像質(zhì)量、充分的顯示能力以及低功耗。
以下要通過其制造工藝來描述按照本發(fā)明用結(jié)晶硅薄膜制造的一種集成了驅(qū)動(dòng)電路的LCD面板。圖21表示用按照本發(fā)明的結(jié)晶方法結(jié)晶的一種硅薄膜制造的一例LCD器件。對于形成在像素單元上的薄膜晶體管(TFT)，可以采用N-型和P-型TFT。對于驅(qū)動(dòng)電路單元，可以采用和像素單元中一樣的N-型或P-型TFT，也可以使用同時(shí)具有采用N-型和P-型TFT的CMOS結(jié)構(gòu)。圖16表示一例CMOS液晶顯示器件。
以下要描述CMOS LCD器件的制造方法。首先在透明絕緣材料例如是玻璃制成的基板820上形成由氧化硅薄膜(SiO2)構(gòu)成的緩沖層821。接著在形成了緩沖層的基板820上形成多晶硅制成的有源層824N和824P。為此，在基板820的整個(gè)表面上形成一非晶硅薄膜之后，采用按照本發(fā)明的四次照射結(jié)晶方法使有源層824N和824P連續(xù)橫向固化。此時(shí)，四次照射結(jié)晶方法采用具有四塊的激光掩模，每塊都具有周期性圖案。這樣就能形成均勻的多晶硅薄膜，沒有照射標(biāo)記。
然后通過光刻術(shù)對結(jié)晶的多晶硅薄膜構(gòu)圖，在NMOS和PMOS區(qū)內(nèi)形成有源層824N和824P。接著在柵絕緣薄膜825A上的一個(gè)特定區(qū)域(也就是有源層824N和824P的溝道形成區(qū))上形成由鉬(Mo)、鋁(Al)或鋁合金制成的柵極850N和850P。在柵絕緣薄膜825A上淀積一層?xùn)沤饘僦笥霉饪绦g(shù)形成柵極850N和850P。然后順序執(zhí)行N-摻雜步驟和P-摻雜步驟形成N-型TFT(即在有源層824N的特定區(qū)域通過注入N+離子形成具有源極/漏極區(qū)822N和823N的TFT)和P-型TFT。此時(shí)，N-型TFT的源極區(qū)822N和漏極區(qū)823N是通過注入能夠提供電子的第五族元素例如是磷(P)形成。源極/漏極區(qū)822P和823P是通過注入能夠提供空穴的第三族元素例如是硼(B)形成。然后在基板820的整個(gè)表面上淀積層間絕緣膜825B，并且用光刻術(shù)形成接觸孔(未表示)以暴露出部分源極/漏極區(qū)822N、822P、823N和823P。最后形成源極/漏極851N、851P、852N和852P，分別通過接觸孔連接到源極/漏極區(qū)822N、822P、823N和823P，就制成了一個(gè)CMOS液晶顯示器件。盡管本發(fā)明提供了一種具有結(jié)晶硅薄膜的LCD器件的制造方法，本發(fā)明的原理還可以應(yīng)用于諸如有機(jī)EL等其它顯示器件，不僅限于LCD器件。
如上所述，按照本發(fā)明的激光掩模和結(jié)晶方法有許多優(yōu)點(diǎn)。按照本發(fā)明的激光掩模有四塊，每塊具有各自的周期性圖案。按照本發(fā)明的采用激光掩模的結(jié)晶方法，只要反復(fù)使用這四塊，就能夠獲得沒有X重疊或Y重疊也就是沒有照射標(biāo)記的多晶硅薄膜。另外，如果用多晶硅薄膜制造液晶顯示器件，由于有源層的結(jié)晶特性，器件能獲得均勻和改進(jìn)的特性。此外，由于有源層沒有照射標(biāo)記，液晶顯示器件的圖像質(zhì)量也能得到改進(jìn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠看出，無需脫離本發(fā)明的原理和范圍還能對上述的激光掩模及使用其結(jié)晶的方法做出各種各樣的修改和變化。因此，本發(fā)明應(yīng)該覆蓋屬于本發(fā)明權(quán)利要求書及其等效物范圍內(nèi)的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種激光掩模，具有第一到第四塊，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案。
2.按照權(quán)利要求1的激光掩模，其特征在于，具有位置‘A’的第一掩模圖案、具有位置‘B’的第二掩模圖案、具有位置‘C’的第三掩模圖案和具有位置‘D’的第四掩模圖案分別形成在第一到第四塊內(nèi)，并且所述位置‘A’到‘D’彼此不同。
3.按照權(quán)利要求2的激光掩模，其特征在于，當(dāng)?shù)谝坏降谒难谀D案投影在一塊內(nèi)時(shí)，四個(gè)相鄰的透射區(qū)的中心構(gòu)成一等邊矩形。
4.按照權(quán)利要求1的激光掩模，其特征在于，所述透射區(qū)具有圓形。
5.按照權(quán)利要求1的激光掩模，其特征在于，所述透射區(qū)具有等邊多邊形形狀，所述多邊形包括等邊三角形、等邊矩形、六邊形和八角形。
6.按照權(quán)利要求4的激光掩模，其特征在于，所述透射區(qū)中心之間的距離是L，所述透射區(qū)的半徑是R，并且L和R的關(guān)系是122≤R<L2.]]>
7.按照權(quán)利要求2的激光掩模，其特征在于，所述各塊內(nèi)的透射區(qū)設(shè)置成N行×M列的矩陣結(jié)構(gòu)(其中N和M都是整數(shù))。
8.按照權(quán)利要求3的激光掩模，其特征在于，相對于所述第一塊內(nèi)的第一掩模圖案，第二掩模圖案向下偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度，第三塊內(nèi)的第三掩模圖案向右偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度，而第四塊內(nèi)的第四掩模圖案向右下偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度。
9.一種結(jié)晶方法，包括提供具有硅薄膜的基板；將具有第一到第四塊的激光掩模設(shè)置在所述基板上，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案；并且通過所述激光掩模用激光束照射所述硅薄膜使其結(jié)晶。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，具有位置‘A’的第一掩模圖案、具有位置‘B’的第二掩模圖案、具有位置‘C’的第三掩模圖案和具有位置‘D’的第四掩模圖案分別形成在所述第一到第四塊內(nèi)，并且所述位置‘A’到‘D’彼此不同。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝坏降谒难谀D案投影在一塊內(nèi)時(shí)，四個(gè)相鄰的透射區(qū)的中心構(gòu)成一等邊矩形。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，相對于所述第一塊內(nèi)的第一掩模圖案，第二掩模圖案向下偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度，第三塊內(nèi)的第三掩模圖案向右偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度，而第四塊內(nèi)的第四掩模圖案向右下偏移的距離等于等邊矩形一邊的長度。
13.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述通過激光掩模照射激光束使所述硅薄膜結(jié)晶的步驟還包括用四次照射方法使所述硅薄膜結(jié)晶，該四次照射方法進(jìn)一步包括通過激光掩模在所述硅薄膜的一定區(qū)域上照射第一激光束，在X軸方向上移動(dòng)激光掩?；蜓b有基板的工作臺(tái)，并通過激光掩模照射第二激光束，在X軸方向上移動(dòng)激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)，并通過激光掩模照射第三激光束，在X軸方向上移動(dòng)激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)，并通過激光掩模照射第四激光束；在X軸方向上用四次照射方法反復(fù)執(zhí)行硅薄膜的結(jié)晶；并且在Y軸方向上移動(dòng)激光掩模或工作臺(tái)，并采用激光掩模在-X軸方向上反復(fù)執(zhí)行四次照射方法。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，按大約等于一塊尺寸的距離移動(dòng)所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)。
15.按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)的移動(dòng)距離按照去除X-重疊或Y-重疊確定。
16.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述照射的激光束具有完全熔化區(qū)的能量密度。
17.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶是連續(xù)橫向固化(SLS)。
18.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶的硅薄膜基本上沒有照射標(biāo)記。
19.一種顯示器件，包括彼此交叉以形成像素的柵線和數(shù)據(jù)線；以及靠近所述交叉點(diǎn)的薄膜晶體管，該薄膜晶體管包括多晶硅層，其中該多晶硅層包括多個(gè)圓形晶體，并且四個(gè)毗鄰的圓形晶體的中心構(gòu)成一等邊矩形。
20.按照權(quán)利要求19所述的器件，其特征在于，所述顯示器件是液晶顯示器件或者發(fā)光二極管。
21.一種顯示器件，包括彼此交叉以形成像素的柵線和數(shù)據(jù)線；以及靠近所述交叉點(diǎn)的薄膜晶體管，該薄膜晶體管包括多晶硅層，其中該多晶硅層包括具有多邊形的多個(gè)晶體，并且四個(gè)毗鄰晶體的中心構(gòu)成一等邊矩形。
22.按照權(quán)利要求21的顯示器件，其特征在于，所述顯示器件是液晶顯示器件或者發(fā)光二極管。
23.一種顯示器件的制造方法，包括在基板上形成多條柵線和數(shù)據(jù)線，該柵線和數(shù)據(jù)線彼此交叉以限定像素；并且在所述像素中各交叉點(diǎn)附近形成薄膜晶體管，其中該薄膜晶體管包括提供具有硅薄膜的基板，將具有第一到第四塊的激光掩模設(shè)置在基板上，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案，通過所述激光掩模用激光束照射硅薄膜使其結(jié)晶。
24.按照權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，具有位置‘A’的第一掩模圖案、具有位置‘B’的第二掩模圖案、具有位置‘C’的第三掩模圖案和具有位置‘D’的第四掩模圖案分別形成在所述第一到第四塊內(nèi)，并且所述位置‘A’到‘D’彼此不同。
25.按照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述第一到第四掩模圖案投影在一塊內(nèi)時(shí)，四個(gè)相鄰?fù)干鋮^(qū)的中心構(gòu)成一等邊矩形。
26.按照權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，相對于所述第一塊內(nèi)的第一掩模圖案，第二掩模圖案向下偏移的距離等于所述等邊矩形一邊的長度，第三塊內(nèi)的第三掩模圖案向右偏移的距離等于所述等邊矩形一邊的長度，而第四塊內(nèi)的第四掩模圖案向右下偏移的距離等于所述等邊矩形一邊的長度。
27.按照權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，通過所述激光掩模照射激光束使所述硅薄膜結(jié)晶還包括用四次照射方法使所述硅薄膜結(jié)晶，該四次照射方法包括通過所述激光掩模在所述硅薄膜的一定區(qū)域上照射第一激光束，在X軸方向上移動(dòng)所述激光掩?；蜓b有基板的工作臺(tái)，并通過該激光掩模照射第二激光束，在X軸方向上移動(dòng)所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)，并通過該激光掩模照射第三激光束，在X軸方向上移動(dòng)所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)，并通過該激光掩模照射第四激光束；在X軸方向上用四次照射方法反復(fù)執(zhí)行該硅薄膜的結(jié)晶；并且在Y軸方向上移動(dòng)所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)，并采用該激光掩模在-X軸方向上反復(fù)執(zhí)行四次照射方法。
28.按照權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，按大約等于一塊尺寸的距離移動(dòng)所述激光掩模或工作臺(tái)。
29.按照權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述激光掩?；蚬ぷ髋_(tái)的移動(dòng)距離按照去除X-重疊或Y-重疊確定。
30.按照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述照射的激光束具有完全熔化區(qū)的能量密度。
31.按照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶是連續(xù)橫向固化(SLS)。
32.按照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶的硅薄膜基本上沒有照射標(biāo)記。
33.按照權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述透射區(qū)具有圓形。
34.按照權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述透射區(qū)具有等邊多邊形形狀，所述多邊形包括等邊三角形、等邊矩形、六邊形和八邊形。
35.按照權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述透射區(qū)中心之間的距離是L，所述透射區(qū)的半徑是R，并且L和R的關(guān)系是L22≤R<L2.]]>
36.按照權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述各塊內(nèi)的透射區(qū)設(shè)置為N行×M列的矩陣結(jié)構(gòu)(其中N和M都是整數(shù))。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)晶方法，該方法包括提供具有硅薄膜的基板；將具有第一到第四塊的激光掩模設(shè)置在該基板上，各塊具有包括多個(gè)透射區(qū)和一個(gè)遮擋區(qū)的周期性圖案；并且通過該激光掩模用激光束照射硅薄膜使其結(jié)晶。用這種方法結(jié)晶的多晶硅薄膜基本上沒有照射標(biāo)記，并且具有均勻的結(jié)晶特性。
文檔編號(hào)H01L21/84GK1637597SQ20041010350
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者俞載成 申請人:Lg.菲利浦Lcd株式會(huì)社