行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫一：大晶粒低溫多晶矽膜之準分子雷射退火設備建構 暨線上監控技術研發
計畫類別： 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 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
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 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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大晶粒低溫多晶矽膜之準分子雷射退火設備建構暨線上監控技術研發※
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計畫類別：
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個別型計畫 ■整合型計畫 計畫編號： NSC 93-2218-E-011-002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
大晶粒低溫多晶矽膜之準分子雷射退火設備建構暨線上監控技術研發 計畫編號：NSC 93-2218-E-011-002
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
本年度計畫的主要目標在於建構一套” 準分子 雷射退火之線上光學檢測系統”，本系統涵蓋數位示 波器（digital oscillo- scope）、檢測光源（probe laser）、
光感測器（photodetector）與相關光學配件（濾鏡與 聚焦鏡）以及支撐結構部份。此系統可以線上即時檢 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。
關鍵詞：準分子雷射退火、線上光學檢測系統、低溫 多晶矽膜
二、緣由與目的
薄膜電晶體液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display ，TFT-LCD）以輕、薄、低耗 電與低輻射成為顯示器的主流，因此被廣泛應用於筆 記型電腦、桌上型電腦、DVD 播放機、數位相機…
等，但現今大部分的 TFT-LCD，其畫素操控開關皆為 非晶矽（a-Si）TFTs，隨著人們對顯示器畫面品質的 要求，受限於非晶矽本身材料的特性，高解析度的製 程與較佳電氣特性皆不易達到，因此近年來開始有低 溫多晶矽（Low Temperature Poly-Silicon，LTPS）TFTs 出現，雖然目前均以 a-Si TFT-LCD 為主流，但是 poly-Si TFT-LCD 具有比 a-Si TFT- LCD 反應速度快、
高亮度、高解析度、省電…等諸多優點，而且可呈現 較佳的畫面品質，因此 poly-Si TFT-LCD 擁有不可忽 視的潛在實力，而近年來更將 LTPS TFTs 延伸至使用 電流驅動裝置的有機發光二極體顯示面板(Organic Light-Emitting Diode, OLED)，因為 OLED 擁有其他平 面顯示器技術不易達到之更明亮且清晰的全彩影像 與更敏捷的反應速度，且其簡單的產品結構及自發光 特性，將使 OLED 生產成本低於 TFT LCD 30~40%的 潛力，更可廣泛應用於手機、MP3 隨身聽…等。
現今製作多晶矽薄膜的方法眾多，例如：（a）
利用高溫使非晶矽薄膜轉化成具結晶相的多晶矽薄 膜，稱為固相成長法（Solid Phase Crystallization，
SPC）；（b）利用連續或脈衝雷射光束的局部高能量，
使非晶矽薄膜融化，再利用薄膜於熔融狀態重新結晶 成固態機制，將非晶矽轉化成為具結晶相的多晶矽薄 膜，稱為雷射結晶技術（Laser Crystallization，LC）；
（c）運用金屬誘發使非晶矽於較低溫時，發生再結 晶現象，而成為多晶矽薄膜，稱為金屬誘發結晶技術
（Metal Induced Lateral Crystallization，MILC）;（d）
運用光罩控制雷射輸出之形狀，再配合基板的移動進 行薄膜再結晶之技術，稱為連續橫向長晶（Sequential Lateral Solidification，SLS）技術[1,2]。然而現今運用 準分子雷射退火製作多晶矽為較常見的方法，因為準 分子雷射屬於紫外光波段且具有高脈衝能量，可以有 效率的使非晶矽薄膜轉變成為多晶矽薄膜，更可以運 用於玻璃基板上的非晶矽膜，進行退火成為多晶矽薄 膜，因而降低整體製造成本。通常非晶矽薄膜經過準 分子雷射照射後，在雷射脈衝的 30~40ns 時間內升溫 到 1400oC 並產生融化，而在雷射脈衝結束後數十 ns，開始凝固成為多晶矽。依非晶矽膜融化的狀態可 區分為三個區域：部分熔融（Partial melting）區、近 乎全熔融（Near complete melting）區以及完全熔融
（Complete melting）區，其中又以近乎全熔融區能夠 產生最大的晶粒。
本年度計畫目的為建構一套線上光學檢測 系統，運用 time-resolved optical reflectivity（TROR）
以及 time-resolved optical transmissivity（TROT）方法，
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。
三、成果與討論
本年度計畫的主要目標在於建構一套” 準分 子雷射退火之線上光學檢測系統”。準分子雷射退火 之線上光學檢測系統示意圖，如圖 1 所示，本系統涵 蓋數位示波器（digital oscillo- scope）、檢測光源（probe laser）、光感測器（photodetector）與相關光學配件（濾 鏡與聚焦鏡）以及支撐結構部份。
圖 1 線上光學檢測系統示意圖
3.1 數位示波器
研究中所採用之數位示波器，如圖 2 所示，為 美國立肯科技（Lecroy）公司所生產，型號為 WS-454。
由於矽膜受到準分子雷射照射後其相變化時間非常 短暫，因此檢測訊號之變動範圍皆在數個 ns 左右，
所以示波器之選擇於矽膜再結晶特性之線上光學檢 測系統中將是一個重點。本研究選擇數位示波器之重 點在於反應時間（Rise Time）、取樣頻率（Sample Rate）
和訊號輸入數（Channel number）三部分。在反應時 間方面，如圖 3 所示，示波器上升時間（Rise time）
＝（0.35/示波器頻寬），當示波器頻寬（Bandwidth）
越大時，其上升時間將會愈短，量測訊號的誤差就越 小[46]。對於具有 500 MHz 頻寬之 Lecroy WS-454 示 波器而言，上升時間 Tr＝0.35/500MHz＝0.7 ns，對量 測 訊 號 解 析 度 為 1 ns 而 言 ， 所 量 測 到 的 訊 號 為
(12 +0.72)＝ 1.22 ns ， 因 此 訊 號 量 測 誤 差 率 為
−
1 1 22 . 1
×100％＝22％，如圖 4 所示，此結果符合 本研究之需求，因此選擇 Lecroy WS-454 為本研究之 數位示波器。數位示波器可將類比信號轉換為數位資 料，且可容易作後續的資料處理，但取樣頻率的高低 將關係到數位化後之波形的解析度，如圖 5 所示。取 樣頻率（Sample Rate）定義為示波器在一秒鐘內取樣 之點數，單位為”點數 / 1 秒”又稱為”Sampling / S”，
當數位資料顯示在螢幕上時，其每一個點代表一筆數 據資料，因此在螢幕上的點數越多，時間解析度將是 越高，如圖 6 所示。本研究所選擇之數位示波器取樣 頻率為 2 GS / S，代表 1 ns 內將有兩個紀錄點，此解 析度符合本研究之需求。
圖 2 Lecroy WS-454 數位示波器外觀
圖 3 量測訊號上升時間示意圖
圖 4 量測訊號誤差示意圖
圖 5 取樣頻率示意圖
圖 6 取樣頻率時間解析圖 3.2 檢測光源
由於人眼可見光譜介於波長 400~700 nm 左右，
因此基於可見光易於校正位於矽模退火區域之正中 央因素，與長波長較能呈現檢測之波形特徵，所以本 研究運用波長 633 nm 的雷射光源，作為矽膜再結晶 特性之線上光學檢測系統的檢測光源。本研究採用 JDS Uniphase 公司的 He-Ne Laser（波長 632.8nm），
與 LaserMax 公司的 Diode Laser（波長 635 nm）做為 檢測光源，其雷射實體圖如圖 7 所示。
3 圖 7（a）He-Ne Laser(左)；（b）Diode Laser(右)
3.3 光感測器
由於採用之 XeF 準分子雷射其脈衝寬度（Pulse Duration）為 25 ns，因此選用光感測器於短脈衝之準 分子雷射退火非晶矽，其反應量測現象之時間解析度 將 是 ns 甚 至 以 下 之 等 級 ， 因 此 本 研 究 採 用 Electro-Optics Technology 公司生產，型號為 ET-2030 的 Si-PIN 結構的超快速光感測器，如圖 8 所示，其響 應時間（response time）小於 300 ps，將其運用來量測 He-Ne Laser 或 Diode Laser 於矽膜相變化期間所產 生瞬間之反射與穿透的訊號強度變化。ET-2030 光感 測器，對各波長之光譜響應（spectral responsivity）如 圖 9 所示。
圖 8 ET-2030 光感測器
圖 9 ET-2030 光感測器對於不同波長之響應圖
3.4 相關光學配件
藉由線上光學系統所擷取之訊號，可從訊號特 徵判斷其相變化，因此訊號的清晰度將會影響現象之 判斷，所以實驗中搭配其他光學配件，如聚焦鏡、分
光鏡、濾光片…等，以強化訊號清晰度與強度之用。
3.4.1 聚焦鏡（Focal lens）
He-Ne Laser 的雷射光束直徑為 0.48 mm，其對 於檢測之範圍過於廣大，以矽膜熔融之三個不同區域 來分析，近乎熔融區之製程窗口極為狹隘，當非晶矽 受準分子雷射照射變為多晶矽區域後，其中出現超級 側向成長之區域（SLG），將只有數十 μm 的寬度，
因此檢測光源必需運用聚焦鏡將光束縮小化，以縮小 檢測區域，提高量測訊號與現象之清晰度。因此本實 驗 採 用 Lattice Electro Optics 公 司 生 產 ， 型 號 為 B-PX-25.4-300 的平凸透鏡作為檢測光源 He-Ne Laser 之聚焦透鏡，如圖 10 所示。
圖 10 平凸透聚焦鏡 3.4.2 分光鏡（Beam splitter）
為了定義準分子雷射從 shutter 出來後為整個準 分子雷射退火矽膜之時間起始點，本研究運用一個分 光鏡將 10％之準分子雷射能量，作為示波器記錄準分 子雷射退火矽膜時間起始點之觸發目的，其餘 90％之 準分子雷射能量透過聚焦鏡聚焦後進行矽膜退火。本 研究所採用 CVI 公司生產型號為 BS1-351-90-2025-45 -UNP 的分光鏡，如圖 11 所示。
圖 11 分光鏡
3.4.3 濾光片（Filter）
為了減少其他外在光源(例如:準分子雷射光源) 影響本研究所需要擷取波長 633nm 之 He-Ne Laser 訊 號，因此本實驗採用 Lattice Electro Optics 公司生產，
型號為 OG-590 之濾光片，如圖 12 所示。此光學元件 的功能為將波長 550 nm 以下之波段光濾掉，特別是
準分子雷射 351 nm 波長的強光，而且對於波長 633nm 之 He-Ne Laser 訊號具有高達 90％的穿透率，因此可 以減低濾光片對於 He-Ne Laser 訊號之衰減作用而影 響檢測過程之解析度。
圖 12 OG-590 濾光鏡 3.5 線上光學檢測系統
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。
a.
b.
5 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
圖 17 準分子雷射退火之線上光學檢測系統光路圖
c.
d.
e.
h. g. f.
j. k.
l.
四、結論
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。
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