行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2218-E-011-002-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系
計畫主持人： 鄭正元
計畫參與人員： 郭啟全,陳佳斌
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 8 月 12 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中報告
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以準分子雷射製造大晶粒低溫多晶矽膜設備研發※
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計畫類別：
□
個別型計畫 ■整合型計畫 計畫編號： NSC93-2218-E-011-003執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：鄭正元 教授
計畫參與人員：郭啟全、陳佳斌
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
執行單位：國立台灣科技大學機械系
中 華 民 國 九十四 年 十 月 三十 日
1
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告
以準分子雷射製造大晶粒低溫多晶矽膜設備研發 計畫編號：NSC93-2218-E-011-003
執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日 主持人：鄭正元 教授 國立台灣科技大學
E-Mail: [email protected]
一、中文摘要
本年度總計畫將五個子計畫之執行成果進行整 合，並期望開發出次世代橫向長晶準分子雷射退火設 備，五個子計畫之執行成果包括:(1)子計畫一：準分 子雷射光學系統建構、載台之移動速率分佈測試，並 控制其誤差率約 20%; (1)子計畫二：以有限元素軟體 模擬準分子雷射退火之多晶矽薄膜長晶製程，由模擬 結果得知，低雷射能量密度使單晶結晶速度較慢；而 非晶矽膜層較厚的工件，單晶結晶速度也較慢; (1)子 計畫三：本計劃提出一新型導光管技術，作雷射光束 能量均化與光束整型，並以非序列光線追跡軟體模擬 並驗證其可行性，本系統已完成改變雷射光束能量分 佈狀態和整型效果，將原高斯分佈的雷射光束達到均 化及光束整型效果。相較於使用傳統光學設計能量效 率不佳情況之下，以導光管為基礎之系統，能量效率 可獲得大幅改善; (1)子計畫四：本計畫已完成標準光 學元件之容差分析。基於光學元件精確度之規格多以 鏡面平度或輪廓誤差表示，這與建立光機電系統所需 之光學特性誤差度量的描述有很大的差異; (1)子計畫 五：本計畫已經建構出一套” 準分子雷射退火之線上 光學檢測系統”，此系統之解析度經過測試後，於解 析度 1ns 下僅有 22%訊號量測誤差率。
關鍵詞：準分子雷射退火、低溫多晶矽膜、
二、緣由與目的
本計畫旨在整合本校台灣科技大學電子系光電 顯示專業領域與機械系設計、製造、材料、自動化專 業領域教授，形成光機電整合研究群，進行研發次世 代全面橫向長出大且均勻之低溫多晶矽的準分子雷 射退火設備。目前平面顯示產業大多採用
a-Si( Amorphous Si)，但因電子移動速率太慢而有開口 率小及無法完成 System-on-Panel(SOP)之目標，目前 國外有 Sharp、Toshiba、NEC、Hitachi 等公司均各投 入近百人團隊進行有關 SOP 之研究。國內雖有統寶光 電採用準分子雷射進行低溫多晶矽(LPTS, Low Temperature Poly-Crystal Silicon)之退火處理製程，但 此一製程目前屬於第一代退火機台僅達 0.3 um 之晶 粒，並無法遍用於次世代 SOP 面板。基於要開發 SOP 即必須使用新雷射退火機台，今年中旬，日本 JSW 廠 發表次世代 SOP 對應使用之準分子雷射退火量產機 台。然而限於製程目前能夠獲得之結晶粒徑僅止 2um，使該機台需使用極精密光學系統搭配以致價格 高達 7 億日圓(為第一代的 2 倍)，再加上雷射光使用 率僅 50%，基板需預熱到 400°C 等缺點，使產能無法
有效提昇。本研究乃是針對未來光電顯示產業之產品 與技術需求，利用一擴大粒徑的創新方法，經由子計 畫一評估與設計高效率 TFT 薄膜之需求(電子系葉文 昌)進行製程系統設計，將改變原來 SiON 膜中之 O/N 比例使成為吸光材，以達同時克服退火預熱及晶粒過 小的問題，而可完成 12um 之晶粒成長，因其晶粒可 達 12um，故其設備所需解析度與光學聚焦深度均可 有效放大而其機台相對經濟；子計畫二則根據上述製 程原理，進行材料特性分析(機械系雷添壽)，設計吸 光材料與退火條件分析結合(機械系林其禹)使用有限 元素分析進行整個雷射退火之全面橫向長晶 3D 模 擬，並使用最佳化方法考慮大結晶與均勻度及可控之 製程參數與材料及系統設計之需求以達系統最佳化 之目標；欲達到此種大晶粒之需求與避免使用光罩之 方法則需要子計畫三(電子系陳政寰)重新設計光學系 統與使用組件將高斯光轉變為長軸約 200mm 與短軸 約 20um±10%之方形光模方能達成系統需求，此種紫 外光光學元件選用之繞射光學系統設計對本計畫成 果影嚮甚鉅，尤其其公差是影響未來量產之可行與成 果優劣，故子計畫四(機械系鄧昭瑞與曾垂拱)將同步 進行光學系統與製程容差分析與設計。尤其系統的設 計必須克服光學元件組成之光路與載台設備之機件 空間定位結合之複雜鍵結現象，此乃目前學術與技術 發展上皆未著墨之整合研發；最後，由子計畫五(機械 系鄭正元)依據前述各子計畫所設計之系統進行機台 雛形系統建構、自動化及使用影像處理及線上雷射光 功率檢測與製程參數線上監控等技術完成製程自動 化以達系統需求。計畫完成後，預計可建構一完整之 準分子雷射退火設備且具有可達 200mm 長及 12um 寬 之光束得以依新吸光材設計及數值模擬與最佳化分 析結果進行線上監控製造晶粒達 12um 之低溫多晶矽 薄膜。
三、成果與討論
子計畫一:
圖 1 表示本實驗中所使用之試片構造，圖 2 為 本研究中所構築之雷射光學系統. 經由遮罩, 短軸聚 焦鏡入射至試片，圖 3 為結晶化後之光學顯微鏡圖, 橫向長晶長度已能成功達到 10 微米，圖 4 為雷射光 能量等高線之寬度分佈, 由圖可知, 在 10mm 之長軸 方向內等高線寬度約 20um+-5%, 具有相當高的均一 性， 圖 5 為以定速將雷射光對矽膜掃瞄之結果, 由圖 可知, 雷射光位置之週期不是很均一. 為了探討其原 因, 而量測載台之移動速率， 圖 6 為載台之移動速率
分佈, 載台 1 為原本使用之載台. 由圖可知,載台 1 在 移動速率 200um 時誤差值高達+-30%, 以致週期不均.
載台 2 為新購之載台, 誤差已大幅改善至 20%. 今後 將以此載台進行試片之全面結晶化。
圖 1 試片構造
圖 2 雷射光學系統
圖 3 經過 line beam 照射後之結晶矽膜
圖 4 雷射光能量等高線之寬度分佈
圖 5 以雷射光定速掃瞄矽膜使結晶化後之光學顯微鏡 照片
圖 6 為載台之移動速率分佈
子計畫二:
本年度計畫的主要目標以有限元素軟體模擬準 分子雷射退火之多晶矽薄膜長晶製程。以建立正確的 分析程序與方法，進而奠定快速設定最佳製程參數之 能量。本計劃採用有限元素軟體 ANSYS 的暫態分 析，以熱傳與包含潛熱現象之相變化模式與參數迭代 的方式，成功發展出模擬矽薄膜在每一時間的固液界 面位置之方法。本研究以不同的參數測試對單晶結晶
Excimer laser
SiOxNy800nm α=10000cm-1
SiO2 100nm Si 100nm
substrate
Excimer laser
SiOxNy800nm α=10000cm-1
SiO2 100nm Si 100nm
substrate
Excimer laser
sample
遮罩 鏡面鋁膜
圓筒凸透鏡(短軸聚焦) 圓筒凹透鏡 (長軸擴大) 調焦以改變能量
Scanning
Excimer laser
sample
遮罩 鏡面鋁膜
圓筒凸透鏡(短軸聚焦) 圓筒凹透鏡 (長軸擴大) 調焦以改變能量
Scanning
20μm 雷射能量等高線
20μm 雷射能量等高線
0 5 10 15 20 25
0 5 10 15
Position (mm)
Width (um)
0 50 100 150 200 250 300 350
0 10 20 30 40 50
No. of Step
Scanning velocity (um/s) 載台1
載台2
3 速度的影響，探討雷射能量密度與單晶結晶速度間之 關係，與非晶矽膜層厚度與結晶速度快慢之關係。
本研究分析項目包含「相變化分析」、「熱傳 分析」，分析過程中考慮「過冷現象」對結晶的影響 而擬合結晶速度公式，如圖 7 所示。結晶速度會隨著 固液界面溫度而有所改變。本研究使用的模型如圖 8 所示，照射寬度為 5μm、膜層寬度為 9μm、a-Si 厚度 為 50nm、SiO2 厚度為 1μm。雷射加熱於 a-Si 薄膜，
使其再結晶成 poly-Si 薄膜。a-Si 薄膜與玻璃基板之間 有一層多孔性二氧化矽膜(porous SiO2)，其功用是用 來減緩熱量傳遞到玻璃基板，可延長結晶時間。
] 1
[ ( )/
/ 0
T T k T T L T
k
Q b m bm
e e
v
R= − − − − ……… 公 式
一
圖 7 過冷現象結晶速度
圖 8 模型描述
本研究以熱焓法來當作理論基楚，將潛熱化作 焓的函數當作材料性質來設定。在本研究中為將「過 冷現象」考慮進去，所以提供了一個以圖一與公式一 為參考依據，以單位模擬時間與凝固溫度之參數迭 代，求出暫態解，最後由這些求出的暫態解整合出完 整的單晶結晶過程。本研究設定單位模擬時間 t 為 1ns 與一凝固溫度，經模擬後，得到一新的固液界面，如 圖 9。初始固液界面(凝固點 T0)與 a-Si 膜層上邊界交 會處 H1，下邊界交會處 L1。當凝固點為 T1=T0-5，
T0=1414℃，單位模擬時間 1ns，執行模擬後，固液界 面與 a-Si 膜層上邊界交會處 H2，下邊界交會處 L2。
本 研 究 又 令 d1=H2-H1 ， d2=L2-L1 ， d=( 查 表 速 度)*(1ns)。查表所得凝固速度如圖 10。最後本研究欲 求得適合之 T1 與 t，代入程式後，其結果符合 d<d1，
d>d2 的目標。流程如圖 11 所示。
圖 9 新舊固液界面示意圖
圖 10 初始狀態模擬方法流程圖
經過「初始狀態」暫態模擬分析後，上下邊界 凝固速度不會有過大的落差。因此之後的模擬方法 中，採用不同的策略，如圖 29 所示。假設 T2=1200℃
為最初溫度，逐步增加 5℃為下一次分析的凝固溫 度，單位模擬時間 t=1ns，經模擬後，可得個別的 d，
d1，d2。當|d1-d|≦5 與|d2-d| 5≦ ，則令此設定凝固溫 度與單位模擬時間為此暫態分析之適合設定。
開始
T2←1200 t←1 ANSYS分析
|d1-d|/t≤5 And |d2-d|/t≤5
L2>L1
T2←T2+5 t←1
T2←1200 t←t+1 T2<T1
紀錄T2與t為 此暫態分析 之適合設定
結束 yes
yes
no no
no yes
圖 11 後續狀態模擬方法流程圖 本研究選擇之雷射能量密度分別為 1770W/m2與 1160W/m2。將薄膜加工至相同結晶條件約 2800℃。
當雷射能量密度為 1770W/m2時，脈衝時間為 20ns，
雷射能量密度為 1770W/m2時，脈衝時間為 32.75ns。
因為脈衝時間與雷射能量密度的不同。較高雷射能量
密度加工的工件，非晶矽膜融化的寬度比以較低雷射 能量密度加工的工件寬 5nm。由表 1 得知，雷射能量 密度較低，平均結晶速度較慢。膜層厚度對結晶速度 的影響，本研究以能量密度 1770W/m2作用在工件 上，但其中一例的膜層厚度改為 100nm。本研究同時 將矽薄膜加溫至約 2800℃。膜層厚度 50nm 之工件，
脈衝時間為 20ns，膜層厚度 100nm 之工件，脈衝時 間為 30.9ns。由表 2 得知，在相同的雷射能量密度下，
膜厚較厚的工件，具有較慢的平均結晶速度。在非晶 矽薄膜最高溫皆約 2800℃的條件下，膜厚較厚的工件 必需施以時間較長的雷射脈衝，也因此獲得較多的能 量，所以溫度降低的速度較慢，平均結晶速度也就較 慢。
本研究以有限元素軟體探討薄膜結晶的過程，探 討雷射參數與工件尺寸對結晶速度的影響。本計劃以 熱傳模式模擬相變化並考慮潛熱對結果的影響並擬 合「過冷現象」對固液界面結晶速度的影響。在對於 雷 射 強 度 與 非 晶 矽 膜 層 厚 度 對 結 晶 速度影響的探 討，在本計劃可知，低雷射能量密度使單晶結晶速度 較慢；而非晶矽膜層較厚的工件，單晶結晶速度也較 慢。
表 1 不同雷射能量密度對各種不同結晶速度影響比 較表
雷 射 能 量 密 度 W/m2
雷 射 脈 衝時間 ns
結 晶 速 度 無 底 部 結 晶 階 段 nm/ns
結 晶 速 度 有 底 部 結 晶 階 段 nm/ns
平 均 結 晶速度 nm/ns
1770 20.0 9.8 50.8 23.5 1160 32.7 9.6 70.2 20.8
表 2 不同非晶矽膜層厚度對結晶速度影響比較表
非 晶 矽 膜 層 厚 度 nm
雷 射 脈 衝時間 ns
結 晶 速 度 無 底 部 結 晶 階 段 nm/ns
結 晶 速 度 有 底 部 結 晶 階 段 nm/ns
平 均 結 晶速度 nm/ns
50 20.0 9.8 50.8 23.5 100 30.9 8.9 21.2 15.0
子計畫三 :
本研究之主要目標為設計一光學系統，將準分子 雷射光束之形狀與能量分佈轉換為低溫多晶矽退火 製程所需之光束規格。本研究目前執行成果為提出一 新型導光管技術，作雷射光束能量均化與光束整型，
並以非序列光線追跡軟體模擬並驗證其可行性。如圖 12 所示為本系統之結構圖，本系統已完成改變雷射光 束能量分佈狀態和整型效果，將原高斯分佈的雷射光 束達到均化及光束整型效果。相較於使用傳統光學設 計能量效率不佳情況之下，以導光管為基礎之系統，
能量效率可獲得大幅改善。
觀測面 1 之能量分佈狀態 觀測面 2 之能量分佈狀態 能量效率 100% 能量效率 90.1%
透鏡 橢圓空心導光管
雷射光
5
圖 12 本系統之結構圖
子計畫四:
為了達到總計畫的製程目標，設計與製造準分 子雷射退火機台最重要的容差包括有雷射光之強度 分布、長寬分佈、載台定位等項。因為這些關鍵容差 之累積成因包括了整個光學系統與機電系統之交互 結合。
本年度計畫之執行成果為完成標準光學元件之 容差分析。基於光學元件精確度之規格多以鏡面平度 或輪廓誤差表示，這與建立光機電系統所需之光學特 性誤差度量的描述有很大的差異。因此本計畫學理部 份將探討規格化之光學元件其幾何外型誤差對光路 造成之變異，分析的方法將嘗試分別以最差狀況與統 計平均兩種方式計算。而實作的部分則在驗證商用標 準元件光學特性之可靠度與變異，並與學理分析之數 值比對校正。基於同步工程之概念，本階段亦將概估 光學系統與機電系統之容差規格，以利子計畫三與子 計畫五完成初步系統設計。
子計畫五:
本年度計畫之執行成果已經建構出一套” 準分 子雷射退火之線上光學檢測系統”，本系統之解析度 經過測試後，於解析度 1ns 下僅有 22%訊號量測誤差 率。因此，此系統將可於第二年進行線上即時檢測準 分子雷射退火非晶矽瞬間之相變化特性，解析非晶矽 膜快速融化至凝固結晶期間的物理現象，搭配不同準 分子雷射能量以及不同矽膜結構，了解非晶矽膜融化 狀態三區，並運用此線上光學檢測系統進一步驗證矽 膜之爆炸結晶（explosive crystallization，EC）現象。
此線上光學檢測設備主要內容涵蓋五個部份，
如圖 13（a ~ e）所示，分別為：（a）檢測光源：運 用所架設之 He-Ne Laser 或 Diode Laser 雷射光束投射
至試片表面，以作為非晶矽膜相變化檢測之光源；（b）
輔助滑塊：此部份為連結量測設備與支撐結構之用，
滑塊於支撐結構上，能做 Z 軸方向之移動，而在側邊 部分，有旋轉平台能控制檢測光源之投射角度，其中 旋轉平台上有裝設 L 架與微小移動平台，能做 Y 軸方 向之移動，以調整光感測器與檢測光軸之相對位置；
（c）偵測反射訊號之光感測器：此光感測器為接收 檢測光源投射於非晶矽薄膜之反射訊號強度；（d）
偵測穿透訊號之光感測器：此光感測器為接收檢測光 源投射於非晶矽薄膜之穿透訊號強度；（e）主體支 撐結構：本主體支撐結構採一體成型之設計，主要功 能可使（a）~（d）之所有光學元件與設備連結一致，
減少個別光學元件與設備之間於空間位置配置之變 異性。
準分子雷射退火之線上檢測系統設備示意圖如 圖 14、15 所示，整體系統除了線上光學檢測五部份
（a ~ e）之外，還包括下列幾部份：（f）雷射機台：
XeF 準分子雷射，波長 351 nm，脈衝寬度 25ns；（g）
Z 軸升降平台：藉由調整 Z 軸高度，改變聚焦鏡之焦 點位置，而調整所需加工之準分子雷射能量密度；（h）
XY 軸移動平台：移動試片位置，以控制準分子雷射 照射區域；（i）聚焦鏡 1：縮小檢測光點之用，且結 合直徑 1 mm 之光圈，以遮蔽外圍之散光；（j）分光 鏡：將準分子雷射光強分成兩部份，90%之雷射能量 作為矽膜退火用，10%之雷射能量作為訊號觸發用；
（k）光感測器 3：訊號觸發用之光感測器；（l）聚 焦鏡 2：聚焦長度 95 mm 的平凸透鏡，為聚焦準分子 雷射之用。準分子雷射退火系統與線上光學檢測系統 組裝後之實體如圖 16 所示。準分子雷射退火之線上 光學檢測系統光路行徑如圖 17 所示。
圖 13 線上光學檢測設備示意圖（A）前視圖:上圖（B）
後視圖:下圖
圖 14 準分子雷射退火之線上光學檢測系統示意圖
（前視圖）
圖 15 準分子雷射退火之線上光學檢測系統示意圖
（後視圖）
圖 16 準分子雷射退火之線上光學檢測系統實體圖
a.
b.
c.
d.
e.
h. g. f.
j. k.
l.
7 圖 17 準分子雷射退火之線上光學檢測系統光路圖 四、結論
本年度總計畫將五個子計畫之執行成果進行整 合，並期望開發出次世代橫向長晶準分子雷射退火設 備，五個子計畫之執行成果包括:(1)子計畫一：準分 子雷射光學系統建構、載台之移動速率分佈測試，並 控制其誤差率約 20%，第二年可以運用準分子雷射光 學系統與此載台進行試片之全面結晶化; (1)子計畫 二：以有限元素軟體模擬準分子雷射退火之多晶矽薄 膜長晶製程，由模擬結果得知，低雷射能量密度使單 晶結晶速度較慢；而非晶矽膜層較厚的工件，單晶結 晶速度也較慢; (1)子計畫三：本計劃提出一新型導光 管技術，作雷射光束能量均化與光束整型，並以非序 列光線追跡軟體模擬並驗證其可行性，本系統已完成 改變雷射光束能量分佈狀態和整型效果，將原高斯分 佈的雷射光束達到均化及光束整型效果。相較於使用 傳統光學設計能量效率不佳情況之下，以導光管為基 礎之系統，能量效率可獲得大幅改善; (1)子計畫四：
本計畫已完成標準光學元件之容差分析。基於光學元 件精確度之規格多以鏡面平度或輪廓誤差表示，這與 建立光機電系統所需之光學特性誤差度量的描述有 很大的差異; (1)子計畫五：本計畫已經建構出一套”
準分子雷射退火之線上光學檢測系統”，此系統之解 析度經過測試後，於解析度 1ns 下僅有 22%訊號量測 誤差率。因此，此系統將可於第二年進行線上即時檢 測準分子雷射退火非晶矽瞬間之相變化特性，解析非 晶矽膜快速融化至凝固結晶期間的物理現象，搭配不 同準分子雷射能量以及不同矽膜結構，了解非晶矽膜 融化狀態三區，並運用此線上光學檢測系統進一步驗 證矽膜之爆炸結晶現象。
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