以準分子雷射製造大晶粒低溫多矽膜設備開發---總計畫

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以準分子雷射製造大晶粒低溫多矽膜設備開發--總計畫 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2218-E-011-010-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 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： 博士班研究生-兼任助理：黃奕翔 碩士班研究生-兼任助理：蔡敏隆

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 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 96 年 11 月 05 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▓ 成 果 報 告

□期中進度報告 以準分子雷射製造大晶粒低溫多矽膜設備開發

計畫類別：□ 個別型計畫 ▓ ^{整合型計畫}

計畫編號：

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日

計畫主持人：鄭正元 教授

計畫參與人員：黃奕翔、蔡敏隆

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□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，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學機械系

中 華 民 國 九十六 年 七 月 三十一 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

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：NSC95-2218-E-011-010 執行期限：95 年 8 月 1 日至 96 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

本年度總計畫將三個子計畫之執行成果進行整 合，並開發出次世代橫向長晶準分子雷射退火設備，

三個子計畫之執行成果包括:(1)子計畫一：本研究建 立奈秒(ns)解析度之光學檢測技術於矽膜在準分子雷 射結晶化期間即時進行反射率及穿透率量測來診斷 矽膜之爆炸結晶現象。實驗結果發現，於 25ns 脈衝 持續時間(pulse duration)之 XeF 準分子雷射退火 90nm 厚之非晶矽膜同時，可以運用 He-Ne 雷射於 27ns 檢 測出爆炸結晶現象; (2)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; (3)子計 畫三：完成光學系統之測試，在此提出折/反射式以及 繞射式光束整形系統做為光束之整形，將兩系統製作 並完成測試，符合原定之需求，可供給製造低溫多晶 矽雷射光束整性之應用。

關鍵詞：準分子雷射退火、低溫多晶矽膜、設備研發

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；總計畫下面之子計畫進 行程序，首先根據上述製程原理，進行材料特性分 析，設計吸光材料與退火條件分析結合使用有限元素 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: 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

圖 1 為準分子雷射退火矽膜之線上檢測示意圖 本 研 究 所 採 用 之 XeF 準 分 子 雷 射 (LAMBDA PHYSIK)，波長為 351nm，脈衝持續時間 25ns、脈衝 重複率 1 Hz，準分子雷射輸出後傳至分光鏡，10%準 分子雷射穿透分光鏡並提供觸發之光偵測器觸發使 用，90%準分子雷射經過平凸透鏡聚焦於非晶矽薄膜 表面處，試片藉由鎖於精密移動平台上懸臂樑之試片 夾所夾持，整個準分子雷射退火矽膜過程於常溫常壓

（25 ℃, 1 atm）之大氣環境下進行。調整不同之準分 子雷射能量進行矽膜退火同時，運用 He-Ne 雷射為 檢測光源，搭配反射以及穿透之光偵測器(photodector) 以及數位示波器(Lecroy)進行非晶矽膜再結晶機制之 探討。

圖 1 矽膜線上檢測示意圖

本研究運用單發準分子雷射進行矽膜退火，主 要原因是為了避免多發數準分子雷射退火矽膜時產 生光學干涉效應之缺失[1]。當準分子雷射能量密度低 於門檻值 100mJ/cm2，此時所照射之準分子雷射能量 密度幾乎不會造成非晶矽膜產生熔融，此能量密度只 是對於非晶矽膜產生加熱後即迅速冷卻，而無法將非 晶矽膜熔化變成多晶矽膜，因此所擷取到之 He-Ne 雷 射穿透以及反射能量波形，並無實質上的物理意義，

因為這一些波形變動所代表之意義僅是 He-Ne 雷射 穿透率與非晶矽膜之光學常數之間一個關係[2,3]。如 圖 2 所示為矽膜部分熔化至完全熔化之之 TROT 訊號 圖，由圖可以觀察出隨著準分子雷射能量之增加，矽 膜之熔化時間(nucleation time)會隨著增長，因此穿透 波形有向右偏移趨勢，此趨勢與反射波形之變化趨勢 相符合。

圖 2 矽膜部分熔化至完全熔化之 TROT 訊號整合圖

如 圖 3 所 示 為 矽 膜 部 分 熔 化 至 完 全 熔 化 之 TROR 訊號整合圖。當準分子雷射能量低於爆炸結晶 能量 175 mJ/cm2，由反射波形可以判斷出準分子雷射 能量 100mJ/cm2、150mJ/cm2 均只產生一個 peak，當 準分子雷射能量高於爆炸結晶能量 175 mJ/cm2，反射 波形即會出現兩個 peak，而且由波形可以觀察出第兩 個 peak 會隨著準分子雷射能量增加，而產生波形寬

度加大現象，因此波形有向右偏移趨勢，並於準分子 雷射能量 200 mJ/cm²達到最寬。

圖 3 矽膜部分熔化至完全熔化之 TROR 訊號整合圖

如 圖 4 所 示 為 矽 膜 部 分 熔 化 至 完 全 熔 化 之 TROR/TROT 訊 號 圖 。 當 準 分 子 雷 射 能 量 密 度 為 100mJ/cm²， 於 反 射 波 形 中 觀 察 出 有 一 個 小 凸 波 (peak)，造成反射波形有小凸波原因為矽膜於熔融期 間對於 He-Ne 雷射(波長 632.8nm)之反射率會從固態 矽之 0.33 上升到液態矽之 0743[4]，由反射波形中發 現非晶矽膜經過準分子雷射照射後於 14ns 開始於表 面產生熔融，並於 20ns 開始以未熔融之非晶矽為結 晶 核 (nuclei) 產 生 非 均 質 成 核 (inhomogeneous nucleation)凝固至 29ns，熔融矽並逐漸變成多晶矽 (polysilicon)，矽膜熔融時間(melt duration)定義為小凸 波之寬度，因此矽膜熔融時間為 15ns，最後反射波形 隨著熔融矽變成多晶矽而驅於水平，由穿透波形觀察 出，整體矽膜於 31ns 有結晶核產生時，並開始凝固 成多晶矽。由於非晶矽膜對準分子雷射有較高的吸收 係數，因此準分子雷射結晶過程中，大部分的雷射能 量都在非晶矽膜表面約 20 nm 被吸收，而且非晶矽之 熱擴散長度約 100 nm [5]，當溫度高於非晶矽之熔點 1510 K 則會造成非晶矽的熔融，再凝固結晶成為多晶 矽，凝固速率高達 10¹⁰ K/s[6]。晶粒大小會隨著準分 子雷射能量增加而漸漸大，在近乎全熔能量時會得到 最大晶粒尺寸，超過這個能量晶粒尺寸又將變小，表 面粗糙度也是有相同結果[7]。當準分子雷射能量密度 為 175 mJ/cm²，於反射波形中觀察出有 2 個凸波出 現，非晶矽膜經過準分子雷射照射後於 8ns 開始於表 面產生熔融，並於 14ns 第一個凸波出現，37ns 出現 第二個凸波，產生此現象原因為表面矽膜中受到準分 子 雷 射 造 射 後 ， 產 生 熔 融並於凝固後釋放出潛熱 (latent heat)而引起下面部份非晶矽(a-Si)產生熔融，此 現象稱為爆炸結晶(explosive crystallization ) [8,9]。矽 膜熔融時間為 92ns，最後反射波形隨著熔融矽變成多 晶矽而驅於水平；由穿透波形觀察出，整體矽膜於 69ns 有結晶核產生時，並開始凝固成多晶矽。當準分 子雷射能量密度提高到能夠將爆炸結晶所引起之小 晶粒再一次熔化，並進入主要熔化(primary melt) 階 段，M. Hatano 等作者[10 提出所需溫度大約 1500K，

於液相/固相之交界面處，小晶粒會有磊晶現象產生，

此階段之結晶機制將由小晶粒以緩慢速度結以本質

非均質成核結晶至表面，而導致表面有粗糙的多晶矽 產生，此外磊晶成長所產生之晶界可以在矽膜完全熔 化區域視為橫向長晶或晶粒成長之來源。當準分子雷 射能量密度為 190 mJ/cm²，於反射波形中觀察出，非 晶矽膜經過準分子雷射照射後於 6ns 開始於表面產生 熔融，並於 12ns 第一個凸波出現，36ns 出現第二個 凸 波 後 並 開 始 凝 固 成 多 晶 矽 ， 矽 膜 熔 融 時 間 為 112ns，由穿透波形觀察出，整體矽膜於 94ns 有結晶 核產生時，並開始凝固成多晶矽。此一階段由於潛熱 釋放所產生之能量能夠將熔融之矽再度加熱，此現象 稱為復輝效應（recalescence effect）[11]，復輝效應之 潛熱釋放能全部將矽膜再度完全熔化並防止磊晶現 象持續產生，當準分子雷射能量提高可以防止均質成 核產生，因此此一階段之準分子雷射能量能夠產生之 晶粒尺寸將達到最大值 SLG(super lateral growth)，此 階段之晶粒大小經由 SEM 觀察，如圖 7 所示。當準 分子雷射能量密度為 200 mJ/cm²，於反射波形中觀察 出，非晶矽膜經過準分子雷射照射後於 6ns 開始於表 面產生熔融，並於 14ns 第一個凸波出現，32ns 出現 第二個凸波後並開始凝固成多晶矽，此時矽膜已達到 全部熔化，矽膜熔化深度並且達到最深，矽膜熔融時 間長達 119ns，由於熔融矽之結晶模式屬於三維的生 長模式，熔融矽在極大過冷度(supercooling)下產生均 質成核，而造成晶粒尺寸快速的遞減[12,13]，而且矽 膜於熔融與凝固的相變化過程中，受到固/液體積改變 的影響而產生毛細作用，因而產生凸脊(ridge) 。由穿 透波形觀察出，由於整體矽膜已達到全部熔化，整個 矽膜內均無晶核，當整體矽膜低於 undercooled 溫度 以下時有結晶核產生時，並於 102ns 後開始凝固成多 晶矽，因此整體矽膜之開始凝固時間比表面矽膜之開 始凝固時間延遲 70ns，當整體熔融矽膜逐漸變成多晶 矽後，穿透波形即驅於水平。

圖 4 矽膜部分熔化至完全熔化之 ROR/TROT 訊號 圖

子計畫二: 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製

本研究首次即時觀測矽膜雷射退火結晶化過 程之橫向長晶, 而求出長晶速率. 本研究使雷射退火 過程中之矽膜橫向長晶週期性發生. 當 HeNe 雷射照 射到矽膜時, 此矽膜使 HeNe 雷射束產生繞射干涉現 像, 而藉由以光偵測器量測 0 次繞射強度,推算出此繞 射格子之開口率變化, 進而推算出長晶速率. 求得之 長晶速率為 5 m/s, 且得知此值不隨矽融液過冷卻溫 度而改變.

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

本研究以兩平行的透鏡，做為一個維度線形光 源的整形元件，兩反射鏡的距離定在 2mm，藉由非序 列性描光之光學模擬，可證實較短的導光管長度，可 較為容易操控導光管出口端的光形分步，如圖 1 所 示，其為一導光管距離為 2mm，而其長度分別為 16mm、18mm、20mm 的導光管出口端結果。

圖 1 不同導光管長度的出口光形分布

模擬結果可以發現，導光管長度在 16mm 時，

其出口端為一凹陷的光形分布；導光管長度在 18mm 時，其出口端為一中間較強的光形分布；導光管長度

在 20mm 時，其出口端為一平均的能量分布。然而，

過長的導光管，由於光在導光管中混合得次數較多，

因此其皆機近為平坦的均分布。本研究中系統的放大 率為 50，也就是將 2mm 的光源轉換成為 100mm 的線 光源，遠心系統的兩接替透鏡焦距分別為 4mm 以及 200mm，由於前者短焦的透鏡在透鏡表面反射所造成 的損耗具相當程度的嚴重性，因此在光學模擬中必須 被準確無誤設定各參數。

圖 2 所示，為遠心接替透鏡的示意圖，其大小 比例與實際之應用有所不同，由於在實際模擬與實驗 中，兩透鏡大小與距離差異較大，如圖 3 所示，其不 易了解遠心系統之原理，因此以示意圖作為輔助之說 明。圖 3 的模擬結果為光經導光管後在透鏡中的傳播 情形，其可以發現大角度的光，會在透鏡內部產生全 反射，使得部份的光有會因為反射而有所損耗，由其 是大角度光線外部的光，其現象較為明顯。

圖 2 遠心接替透鏡示意圖

圖 3 遠心接替透鏡實際模擬情形

圖 4 所示為導光管出口端對應其經遠心接替透 鏡後強度分布的模擬結果，其可以與圖七比對發現，

如果將導光管出口的光強度分布設計成為一中間較 低的光形，其較為高起的兩端，會因為大角度反射角 的因原，而使兩端的光強度損弱，由此一來在經過遠 心系統放大放，可剛好補償中間凹陷的部份，而成為 一均勻分布的光源；反之若導光出口端若為一均分布 之光源，兩側能量經反射後損耗後，會使得經遠心系 統後的光形呈一中間能量較高的情形。

圖 4 導光管出口端對應其經遠心接替透鏡後強度分布 的模擬結果

圖 5 為導光管結構作為線型光束整型器之實際 光機架構，並且在光學系統末端架設一感測器，其用 以量測光學系統能量之均勻性，圖 6 為整形後之線形 光束，其長度為 200mm、寬度為 100mm。

圖 5 導光管結構線型光束整型器之光機架構

圖 6 導光管結構線型光束整型器之光束

圖 7 實驗量測結果

繞射式雷射光束整型元件其尺寸為邊長 1.6mm×

1.6mm，此元件可將入射光波長 632.8nm，而其 beam diameter (1/e) 0.8mm 之 雷 射 光 束 整 形 為 200mm×

20mm 之矩形均勻能量分佈，再以柱狀透鏡聚焦成為 200mm×0.025mm 之線形光束。

圖 8 線形光線窄邊寬度放大圖

模擬結果整理如表 1 所示。在此歸納出一些結 論：（1）要形成光場 200mm×0.02mm，上述三種規 格均大約需要 32 階才能達到足夠之均勻度，此黃光 微影製程中因光罩對準所帶來的誤差將會是以倍數 遽增，因此要製作出完美的元件是相當困難的。（2）

上述所觀測的均勻度是以觀測光場之長邊均勻度去 判斷，但對於窄邊之寬度無法估計出，必須增加其解 析度方可得知。且根據繞射極限公式可計算出 1.2mm

×1.2mm 的元件可聚焦的最小寬度為 W min。取強度 一半時的寬度近似於 Airy disc 半徑。

D r_A

= 1 . 22

mm um

W 830 0.83

10 2 . 1

6328 . 0 10 3 . 1 22 .

min 1 ₃

6 = =

×

×

×

= ×

將模擬的圖形增加解析度並取一斷長邊截面放 大圖以觀測窄邊寬度，可得其半高寬時的寬度約為 822.6um，與理論值非常接近，此乃系統優化時僅能 得其最佳解，因此超越繞射極限時其最佳值便是繞射 極限值。為了克服階梯化造成均勻度嚴重變化的情 形，模擬發現將線形光源的窄邊加大使其逐漸變成矩 形光源時，因階梯化而造成均勻度不佳的情形可改 善，整理如表 2、表 3。由表 2、表 3中可發現當線形 能量分佈的寬度放大至 20mm 時可得其在 4 階時的均 勻度以達一定水準，當寬度為 40mm 時更均勻。因此 若要在 4 階即能達均勻度要求以降低製程誤差，則必 須棄守寬度規格再另行處理。此外因繞射元件所能聚

焦的最小寬度問題，在此提出兩種方式解決問題：(a) 將雷射擴束及加大繞射元件孔徑，則其繞射極限之

可縮減。以半高寬強度近似，則雷射所需擴束大小及 繞射元件之尺寸 可由繞射極限公式反推得：

mm r um

D f

A

de 5 10 50

20 6328 . 0 10 3 . 1 22 . 1 22 .

1 = × × ⁶× = × ₄ =

= λ

如此一來可解決寬度極限問題，若以微影製程

階梯化元件則需較高之階數方能達到均勻度要求，卻

易 因 光 罩 對 準 及 蝕 刻 誤 差 致 使 均 勻 度 變 差 。 (b) 柱狀透鏡之功能為改變單一維度放大率而另一維度

不變。因此可在繞射元件所形成之光場平面再加上一 柱狀透鏡對寬度進行聚焦而長度能保持不變，如此可 達設計要求。則繞射元件所要形成的光場寬度 可由 繞射極限公式反推：

mm r um

W f

A

de 1 10 1

10 20

6328 . 0 10 25 22 . 1 22 .

1 ₃

3

6 = × =

×

×

×

= ×

= λ

所使用之柱狀透鏡焦長為 25mm，由此可知繞射元件 所要形成之光場寬度必須大於 1mm，方能聚焦成 25um 寬度。

在此方法下則加寬光場寬度可得到兩項好處：

（a）繞射元件可於降低製程階數、減少誤差。（b）

寬 度 加 寬 根 據 繞 射 極 限 公式有助於將寬度聚焦至 0.02mm。但系統也因此必需多復出柱狀透鏡之成本，

但相對於僅用傳統的折、繞射式元件要達此規格時所 必須付出製造非球面鏡成本及元件數量來說已經有 達到節省成本及減少系統複雜度之目標，且製造此類 之非球面鏡亦具有相當之困難度。目前製程對準次數 過多所造成的誤差較難以控制，因此將採取柱狀透鏡 聚焦之方式。未來若電子束直接刻寫等製作連續表面 相位結構之技術成熟，則使用雷射擴束之方式或採用 柱狀透鏡都可達到更佳之均勻度。在模擬的結果發現 於光場邊界出現漣波現象，這會使邊界地帶均勻度不 佳，但模擬結果發現此現象有與線形光場寬度和元件 尺寸有相關性。表 3-6、3-7、3-8 為控制在形成相同 光場以不同的元件尺寸去模擬以觀察元件尺寸和漣 波現象的相關性。整理之後可發現線形光場寬度、元 件尺寸以及漣波現象的關係如下：（a）在相同線形 光場寬度下，元件愈大可消除漣波。(b）當線形光場 寬度加寬時，元件尺寸需要更大。

綜合所討，繞射式雷射光束整型元件其尺寸為 邊 長 1.6mm × 1.6mm ， 此 元 件 可 將 入 射 光 波 長 632.8nm，而其 beam diameter (1/e) 0.8mm 之雷射

光束整形為 200mm×20mm 之矩形均勻能量分 佈，再以柱狀透鏡聚焦成為 200mm×0.025mm 之線形 光束。本計畫提出兩個雷射光束整形之方法，在繞射 元件上，雖能設計出 99%之效率，但由於製程上受限 於半導體加工機台之精度，因此未能製造出較高效率 的光束整型系統，目前僅 70%；以幾合之方式雖體積 較大，然而其操控光場能量分布之方法已能掌握，控 制其均勻性非難事，此亦為較經濟且可多操控運用性 之方式，可作為雷射退火之使用。此外，在使用非可 見光作為雷射加工同時，需特別注意雷射在透鏡的折 射與反射，避免危害到人體安全。

表 1 線形光線設計模擬

0.8×0.8mm 1.0×1.0mm 1.2×1.2mm

2 階

4 階

8 階

16 階

32 階

連續結

構

表 2 線形光線設計模擬二

200mm×1mm 200mm×5mm 200mm×10mm

2 階

4 階

8 階

16 階

32 階

連續結

構

表 3 線形光線設計模擬三

200mm×20mm 200mm×40mm

2 階

4 階

8 階

16 階

32 階

連續結構

四、結論

本年度總計畫將三個子計畫之執行成果進行整 合，並開發出次世代橫向長晶準分子雷射退火設備，

三個子計畫之執行成果包括:(1)子計畫一：本研究建

立奈秒(ns)解析度之光學檢測技術於矽膜在準分子雷 射結晶化期間即時進行反射率及穿透率量測來診斷 矽膜之爆炸結晶現象。實驗結果發現，於 25ns 脈衝 持續時間(pulse duration)之 XeF 準分子雷射退火 90nm

厚之非晶矽膜同時，可以運用 He-Ne 雷射於 27ns 檢 測出爆炸結晶現象; (2)子計畫二(Yeh)：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; (3) 子計畫三：完成光學系統之測試，在此提出折/反射式 以及繞射式光束整形系統做為光束之整形，將兩系統 製作並完成測試，符合原定之需求，可供給製造低溫 多晶矽雷射光束整性之應用。

五、參考文獻

[1] F.C. Voogt and R. lshihara,” Melting and crystallization behavior of low-pressure chemical-vapor-deposition amorphous Si films during excimer-laser annealing,” Journal of applied physics Volume 95,Number 5 March 2004

[2] An Shih，Chao-Yu Meng and Si-Chen Lee and Ming-Yau Chern，”Mechanism for Pillar-Shaped Surface Morphology of Polysilicon Prepared by Excimer Laser Annealing”，Journal of Applied Physics，Vol. 88 No.6，

pp.3725~3733，2000

[3] J. Boneberg and P. Leiderer, Phys. Status Solidi A 166, 643 , 1998.

[4] J. Boneberg, J. Nedelcu, H. Bender, and P.

Leiderer, Mater. Sci. Eng., A 173, 347,1993.

[5] S.A. Wode 、 K. Dettmer 、 F.R.Kessler ， Transformation of amorphous Si0.9Ge0.1 and Si films by laser annealing ， Thin solid films 266(1995) P.78~P.82。

[6] Kee-Chan Park，Jae-Hong Jeon，Cheol-Min park，

Min-Cheol Lee and Min-Koo Han，”The Grain Growth Blocking Effect of Polycrystallization Silicone Film by Thin Native Silicon Oxidation Barrier During the Excimer Laser Recrystallization ， Applied Physics Letters，Vol. 75，No.4，pp.460~462，1999。

[7] P. Ch. Van Der Wilt and R. Ishihara, “ Grain Location Control in Excimer-Laser Crystallization of Thin Silicon Films,” phys. stat. sol.(a), Vol. 166, pp.619-627, 1998

[8] A.Pecora ， R.Carluccio ， L. Mariucci, G.

Fortunato， D. Murra, S.Bollanti， P. Di Lazzaro，

“Observation of super lateral growth in long pulse (170 ns) excimer laser crystallization of a-Si films,” Thin Solid Films Volume: 427， Issue: 1-2， March 3，

2003，pp. 319-323

[9] J. Narayan, S. J. Pennycook, D. Fathy, and O. W.

Holland, “ Explosive Recrystallization During Pulsed Laser Irradiation,” J. Vac. Sci. Technol., A2(4), pp.1495-1497, 1984

[10] Mutsuko Hatano, Seungjae Moon, Minghong Lee, Kenkichi Suzuki and Costas P. Grigoropoulos, “ In Situ and Ex Situ Diagnostics on Melting and Resolidification Dynamics of Amorphous and Polycrystalline Silicon Thin Films during Excimer Laser Annealing,” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 266-269, pp.654-658, 2000.

[11] S. Loreti, D. della Sala and M.

Garozzo,“ Morphological and Structural Effects of Excimer Laser Treatment of Amorphous Silicon,”

Micron, Vol. 31, pp.299-307, 2000

[12] L. Mariucci, A. Pecora, G. Fortunato, C. Spinella, C. Bongiorno,” Crystallization mechanisms in laser irradiated thin amorphous silicon films,” Thin Solid Films 427 (2003) 91–95。

[13] G. Aichmayr, D. Toet, M. Mulato, P. V. Santos, A.

Spangenberg, S. Christiansen, M. Albrecht and H. P.

Strunk, “ Lateral Grain Growth during the Laser Interference Crystallization of a-Si,” phys. stat. sol.(a), Vol. 166, pp.659-666, 1998.

國科會出席國際會議報告

陳政寰

本次出席國際會議為在日本奈良所舉辦之第5屆國際光學與光子設計製作研討會 (5th International conference on Optics-photonics Design & Fabrication, ODF＇06)。由日本光學學會(The Optical Society of Japan, JSAP)所主辦，贊 助單位包括OSA、SPIE、EOS、JPS、IEEE/LEOS等重要之國際學術組織。會議時程 為2006年12月6日至8日共三日，此國際會議之簡介如附件一。會議中發表之論文 主題包含有生醫光子、光學設計與模擬、光學元件、光學系統及光學技術等五大 項。內容包括有光學理論、光學軟體、繞射光學元件、微光元件、光學薄膜、波 導、光學微機電、雷射、光纖通信、資訊光學、光學儲存、光蝕刻技術、顯微光 學與顯示器等。總共發表論文數約300篇，包含口頭報告與壁報論文。發表論文 之單位學界與業界之比重相當。為一具工業性質之學術研討會。

此行主要在研討會中發表執行國科會計畫 “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＂中所獲得之成果，發表論文題目為 “Light pipe laser beam shaper＂，全文如附件二。主要係在使用成本較低且適合應用 於高能量密度之反射式導光管作為雷射光束整型之元件，以產生無損失之均勻線 型光源。此方式與目前多使用蠅眼鏡與繞射元件之方式比較，容易實現且較具彈 性。在本次會議中較少有雷射光束整型相關之論文。參加此次會議並同時了解目 前光學元件與系統技術之最新發展狀況。開場之 invited talk 為立体顯微術、

光蝕刻技術之光學設計與數位相機之光學設計。整体趨勢中最顯著者為逐漸朝向

生 醫 應 用 與 微 小 或 奈 米 結 構 之 光 學 元 件 發 展 。 其 中 Bimedical Photonics

Session 為今年首次出現。論文數目雖較其它主題為少，但此必帶動未來更多相

關研究將成果發表於此。會場中並有五、六家廠商提供攤位展示，但多為光學模

擬軟體相關之廠商，且推癀之軟体多為使用於微奈米層級者。此亦可見整体光學

設計製造向微型化發展之主流趨勢。