行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫三：製造大晶粒低溫多晶矽膜之準分子雷射光束操控 系統設計與分析
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2218-E-011-005-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電子工程系
計畫主持人： 陳政寰
計畫參與人員： 梁維乾、洪天民、許浩中
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢
中 華 民 國 94 年 10 月 17 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 5 成 果 報 告 期中進度報告
以準分子雷射製造大晶粒低溫多晶矽膜設備研發-子計畫三
製造大顆粒低溫多晶矽膜之準分子雷射光束操控系統設計與分析 計畫類別： 個別型計畫 5 整合型計畫
計畫編號：NSC 93 － 2218 － E － 011 － 005 － 執行期間： 93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳政寰 共同主持人：
計畫參與人員： 梁維乾、洪天民、許浩中
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：5精簡報告 完整 報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究 計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 涉及專利或其他智慧財產權，5一年 二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學電子工程研究所
中 華 民 國 九十四 年 九 月 十五 日
中文摘要
製造低溫多晶矽之基本製程技術係以雷射之能量加熱非晶矽材料，待之冷卻後 再結晶可得多晶矽之結構。而雷射光束之形狀、能量分佈及雷射脈衝時間間距，
均會影響結晶之形式與品質。換言之，若欲得到所需之晶粒品質，則必須適當地 控制雷射光束。
本分項子計畫之目標在設計與建立一高品質之光學系統，將準分子雷射之原始 光束操控轉換成為低溫多晶矽退火製程所需之規格。包含雷射光束之能量密度大 小及分佈、光束之形狀。
在研究過程中先以序列性光學設計軟體Zemax設計光學元件，再利用非序列性 光線追跡軟體TracePro進行模擬並評估系統效能。已完成設計分析一以導光管及 競片組合而成之光束調制系統，並經模擬驗證符合總計劃所提之新型雷射退火設 備之需求。
英文摘要
The process of low temperature polysilicon(LTPS) is to heat up amorphous silicon by laser beam, and the material will recrystalize when cooling down and becomes polysilicon structure. The shape, energy distribution and pulse interval of the laser beam are all critical factors influencing the quality of crystallization. The goal of this project is to design an optical system for manipulating an excimer laser beam to meet the required specification for low temperature polysilicon process, including beam shape and energy distribution. The optical system was designed with a sequential ray tracing program, ZEMAX, and then the performance was verified with a non-sequential ray tracing program, TracePro. An optical system composed of light pipes and conventional lenses has been proposed, and the optical simulation has shown an promising result, which meets the requirement of the proposed novel laser annealing system.
1-1 前言
在目前市場中之主要平面顯示器，無論是液晶顯示器（LCD）或是有機電激 發光顯示器（OLED），多以薄膜電晶體（TFT）作為畫素開關，以主動矩陣驅動 方式得到較高畫質。因此薄膜電晶體開關通道材料之特性，為影響平面顯示器品 質之關鍵因素之ㄧ，包括開關之切換速度、畫素開口率（Aperture ratio）等。目 前在液晶顯示器中，特別是大尺寸LCD，最普遍被使用的TFT材料為非晶矽
（a-Si），此方式電子移動率約小於 1cm2/vs。由於移動率低，所以a-Si TFT只能作 為對速度要求不高的畫素開關。但其製程技術較成熟，所以商品化程度高。
在改善電子移動率方面，目前多朝向使用移動率約 100 cm2/vs的多晶矽
（Poly-Si）TFT，如此薄膜電晶體開關通道的寬度可以縮減，對顯示面板本身而 言，特別是對光源須穿透基板之液晶顯示器，在效率方面會有顯著之改善。
實現高移動率 TFT 的瓶頸在於在玻璃上製造高品質結晶矽膜的困難，以目前 的技術，只能得到多晶矽薄膜。然而多晶矽結晶架構中，通道包括了相當多的晶 粒邊界，此晶粒邊界成為載子的散射中心，降低了移動率。想要提昇移動率之下，
因此發展出跨越晶粒邊界的橫向長晶的結晶矽薄膜。
為的達到橫向長晶之目標，本總計畫在設計研發一能製造大晶粒多晶矽薄膜電 晶體的準分子雷射退火製程設備與相關製程技術分析，本分項子計畫之目標在設 計並製作此製程設備所需之設光束操控系統。
1-2研究目的
在退火程序中，需要一細長條狀之雷射光束，能量則以平頂式（Top-hat or Flattop）分佈為佳，此為目前常用的方法。退火所使用之雷射一般為準分子雷射
（Excimer laser），計畫中必須以適當之光學系統將原先高斯分佈 的原始光束調整為平頂形
mm mm 7.5 24 × um
mm 20
200 × 之輸出光束，以達成大晶粒長晶之需求 並提升產能。
在達到光束整型的方法之中，最簡易的方法為使雷射光束通過一擋板，直接將 高斯光束較中心的部份取出，藉以得到分佈較為接近平頂式的均勻光束。不過此 方法中會造成大量功率的浪費，欲得到越均勻的分佈，所需擋住的光束越多，損 耗越大。
本計畫提出一新型導光管（Light pipe）技術，作為達到光束整型之主要元件，
並先以光學軟體進行設計及模擬其效能及可行性。此導光管技術，是讓光束在傳 導過程中進行不斷進行混光來得到改善能量分佈而達到均化的目的，從效率之觀 點上來看，可以維持效率避免大量功率的損耗；用來比較市面上高價的雷射均化 整型器，此法的成本大量降低並具有創新性和製造之簡易性。
1-3 文獻探討 LTPS離子植入技術
在80年代末期，離子植入技術已經廣泛應用在薄膜電晶體製程中。傳統非晶矽 薄膜未鍵結鍵較多，離子在植入後易被缺陷態捕捉，且接面特性不佳易產生但電 流壅塞（Current crowing），因此並未大量使用。而低溫複晶矽的驅動電路必須 做到高精確度，離子植入的穩定度與均勻度就成為失敗與否的重要關鍵。
離子活化製程
由於離子植入後的雜質並未完全的就定位，並且對於複晶矽薄膜產生損害甚至 造成非晶化（Amorphization），特別在複晶矽晶粒邊界四周更為明顯，因此需要 活化過程回復。在一般高溫複晶矽電晶體活化步驟大多採取Furnace高溫活化。
然而在低溫複晶矽的領域中，受限於玻璃的耐熱溫度，因此需要較低溫的流程。
常用的低溫複晶矽活化方法有：雷射活化法（ELA ,Excimer Laser Annealing）、
快速加熱活化法（RTA ,Rapid thermal annealing）、高溫熱爐管活化法（FA ,Furnace Annealing）。高溫活化法與快速加熱活化法具有相當好的活化效果，但其瞬間 或長時間的高溫將使得塑膠基板產生變形或龜裂，無法應用於低溫環境的塑膠基 板，而目前最常應用於低溫活化方式為雷射活化法。
1-4 研究方法
計畫前先了解在目前在能量均化的應用上較常使用的方法，評估及衡量對本計 畫的適用性。對於能量均化的方法，計畫中曾經考慮的方法有：
（1）使用傳統光學設計：此法只能比例是加長或加寬雷射光束，並無法改變其 能量分佈狀態。
（2）使用非成像光學設計：可將原來能量分佈為高斯型態的雷射光束改變成為 均勻分佈的形式，並且再以成像理論轉換其光束大小達到所需要之規格。
（3）使用繞射光學設計：使用繞射光學之理論設計系統，由於理論較複雜，因 此所需時間較長。
在評估過後決定先以非成像光學進行系統之設計，並且以繞射光學之理論設計 為日後目標之進階作法。
目前對於能量均化常用之技術大可分為：
（1）透鏡陣列（Lens Array）：可將大面積之照明光能量切割成區塊後，以 Multiple imaging 形式達到均化效果。但其缺點為須將雷射光束擴束，且其所需要之光學 元件價格昂貴。此法在現今雷設退火設備已大量使用，以本計畫所需技術，此法 不具必要性。
（2）導光管結構（Light Pipe）
以導光結構破壞原先高斯分佈的雷射光束型態，達到雷射光束整型及能量重新 分佈的目標，結果獲得模擬證實。
導光結構主要的原理是利用光束經過透鏡聚焦通過焦點後，會向外擴張，使其 不斷反射到導光管內壁的全反射面進行混光而達到能量均化的結果。
光學系統的佈局主要是由柱狀透鏡和長方形導光管所構成，如圖所示。在進入 系統之前雷射光束經過擴束之後，通過長方型遮罩。在一方向上主要配置一個柱 狀透鏡與一個導光管；另一方向亦是如此。
X Z
1mm
200mm
20um
5mm
15mm
1.2mm 4mm 5mm
X Z X
Z
1mm
200mm
20um
5mm
15mm
1.2mm 4mm 5mm
Y Z
1mm 20um
200mm 15mm
4mm
5mm 5mm
1.2mm
Y Z Y
Z
1mm 20um
200mm 15mm
4mm
5mm 5mm
1.2mm
圖1 系統之佈局
圖 2 為第一導光管出口處，圖 3 和圖 4 分別為第二導光管入口處和出口處的能 量分佈圖，由圖 4 中可以看出在模擬結果中，最後輸出光束的均勻度已經達到不 錯的表現。
圖2 第一導光管出口處
圖3 第二導光管入口處
圖 4 第二導光管出口平面圖和立體剖面圖
第二導光管的功用是將20um 面的能量均化，將高斯分佈的光束轉換成平頂式 分佈。由圖5中可以看出經過導光管後已有將能量均化的效果。圖5為20 um 面的 能量分佈圖。左側圖形是在第二導光管入口處，右側則是出口處，在比較之下即 可看出其差異性。
圖 5 第二導光管入口和出口處能量分佈之比較
1-5 結果與討論
在本計畫中除了要求之光束規格外，系統所希望需達到的兩個目標是輸出光束 的均勻度和系統之能量效率。
在均勻度表現上，200mm 方向的均勻度在目前已經可以達到不錯的結果。如 圖5所示，除了邊緣兩側之外都有不錯的表現，若在透鏡的表面鍍上抗反射層鍍 膜（Antireflection coating ; AR coating）以減少反射量，增加打到角落處的光線即 可以改善邊緣處的均勻度。20 um 面的均勻度則是因為兩邊比例過於懸殊，無法 直接在整體圖形之中看出，不過經由圖6的放大比較中，可看出其第二導光管確 實有破壞原先的高斯分佈而達到能量均化的效果。
從能量觀點上來看，系統能量的損耗來源，若不探討通過長方形遮罩後損失的 能量，大致上可以分為光線進入第二導光管時耦合失敗的光線造成能量的損耗，
以及光線經過元件時所被吸收或反射之損耗，還有第二導光管出口光線發散問題 造成的能量損失。
基本上如果光線進入第二導光管的耦合效率可以維持一定的水準，能量的損耗 就可以控制在一定的範圍。並且可藉由將透鏡表面鍍膜將光線被吸收、反射的損 失降至最低。不過使用之準分子雷射為紫外光，對材料的特殊吸收特性必需加入 考慮。包括透鏡的鍍膜和導光管內面的鍍膜都需要特別選擇。由表中可以看出在 第二導光管出口處仍有約六成五的效率，預計若在元件表面加上鍍膜之後會有更 好的效率。
1-6 結論與建議
在計畫中所使的軟體均為幾何光學上之模擬軟體，但本計劃中之雷射光源在光 學分支上是屬於波動光學的領域，所以在雷射光束用到的參考文獻及理論公式都 是由電磁波之馬克斯威爾方程式所推導出，因此在模擬結果上可能會有一些誤 差。但是考量在現今之雷射光束，在使用上使用擴束器將光束擴束，發散的影響
目前進度上已到達製作原型的階段，元件的訂購和製作正在進行中。
參考文獻
[1] Keigo Iizuka, “Elements of Photonics,” John Wiley & Sons, ed. 1.0, 2002.
[2] Robert E Fisher and Biljana Tadic-Galeb, “Optical System Design,” McGraw- Hill , ed. 1.0, 2000.
[3] Eugene Hecht, “Optics,” Addison Wesley, ed. 4.0, 2002.
[4] John A. and C. Michael Jefferson, “Design and Performance of a Refractive Optical System that Converts a Gaussian to a Flattop Beam,” Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5488-5499, October 2000.
[5] 耿繼業、何建娃，“幾何光學”，全華科技圖書股份有限公司,民國九十三年 [6] 陳志強， “LTPS低溫複晶矽顯示器技術”，全華科技圖書股份有限公司,民國 九十三年
計畫成果自評
目前計畫所執行的部份為軟體上的模擬，模擬結果還算在預期的範圍內。待系 統架設完畢後，進行實際量測便會有較具體的成果，也可以比較系統各方面的效 率與模擬的差異性。
目前在市面上導光管技術大都應於在照明光學上的均化，例如投影機、顯示器 等，本計畫中使用的均化技術是將導光管技術應用於雷射光源退火製程上，此係 一新型之應用。在學術上，亦具有發表期刊論文之價值；市場需求上，也具申請 專利之價值。比較於目前市面上設計高難度曲率的非球面鏡來達到雷射光束能量 均化的效果，此一方法不但製造上較簡單，成本也大大的降低。
可供推廣之研發成果資料表
5 可申請專利 可技術移轉 日期：94年9月15日
國科會補助計畫
計畫名稱：製造大顆粒低溫多晶矽膜之準分子雷射光束操控系統設 計與分析
計畫主持人：陳政寰
計畫編號：NSC 93－2218－E－011－005－學門領域：半導體製程 設備
技術/創作名稱 導光管雷射均化與整型光學系統
發明人/創作人 陳政寰、梁維乾、鄭正元
本提案之技術為使用相對低價之導光管及傳統光學元件，對雷射光 束之能量分佈與光束形狀加以調制，以達到雷射加工、醫療等各項 需求之雷射光束規格。
技術說明
英文：The proposed technology uses light pipe and conventional lens element to manipulate the shape and energy distribution of a laser beam to meet the requirement of a specific application, such as laser processing, laser medical treatment etc.
可利用之產業 及 可開發之產品
本技術應用於雷射退火製程之中，可以同時達到光束整型與調整光 束輸出規格之效果，產品上之應用可作為光束整型器
技術特點
相對於目前光束調制之技術，本技術具有 1.設計方法簡單
2.製作簡單 3.成本低
推廣及運用的價值
除了半導體製程技術外，另外可以應用於雷射加工、光電醫療及光 通訊等領域
