DE102007025942A1 - Verfahren zur selektiven thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur lokalen thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates, im Weiteren kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der am Ort der Substratoberfläche jweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnitt aufweist, bei dem das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt wird und bei dem der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird, wobei der Laserstrahl derart relativ zu der sich bewegenden Substratoberfläche ausgelenkt wird, so dass die Laserstrahlquerschnitte von n >= 2 Laserpulsen mit einem gegenseitigen Überdeckungsgrad von wenigstens 80% auf einem ersten diskret vorgebbaren lokalen Bereich der Substratoberfläche abgebildet werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur lokalen thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates, im Weiteren kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der am Ort der Substratoberfläche jeweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstahlquerschnitt aufweist, bei dem das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt wird und bei dem der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird.
  • In der vorstehenden Weise thermisch behandelte Flächensubstrate eignen sich z. B. für die Herstellung von Dünnfilm-Transistoren auf der Basis von polykristallinem Silizium. Dünnfilm-Transistoren werden bevorzugt im Bereich von Flachbildschirmen, sei es für PC, TV oder sonstigen Geräten vor allem aus der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Dünne amorphe Siliziumschichten, die in Schichtdicken typischerweise um 50 nm auf Glas- oder Kunststoffflächensubstraten aufgebracht sind, werden bei diesen so genannten LTPS-Verfahren (Low Temperature Polysilicon Technology) durch das Belichten mit Laserstrahlung kurzzeitig aufgeschmolzen und verfestigen sich beim Abkühlen zu polykristallinen Schichten, die vor allem für die Herstellung von Aktiv-Matrix LCD und Aktiv-Matrix-OLED besonders geeignet sind.
  • Stand der Technik
  • Für die Herstellung von Flachbildschirmen im industriellen Maßstab unter Einsatz des vorstehend genannten LTPS-Verfahren ist es unumgänglich den Kristallisationsvorgang des amorphen Siliziums so schnell wie möglich durchzuführen. Aus diesem Grund werden für das Aufschmelzen der amorphen Schicht bevorzugt Excimer-Laser eingesetzt, die neben der benötigten Wellenlänge im UV-Spektralbereich, einen ausgezeichneten Wirkungsgrad, zudem auch große Lichtleistungen zur Verfügung stellen. Grundsätzlich haben sich bei der Verwendung von Excimer-Lasern einige Bearbeitungsverfahren herauskristallisiert, mit denen das amorphe Silizium derart umgewandelt werden kann, dass eine für hocheffiziente Dünnfilm-Transistoren erforderliche hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleistet werden kann.
  • In an sich bekannter Weise wird zum Zwecke der vorstehend beschriebenen Strukturumwandlung von amorphem Silizium in Polykristallines ein homogenisierter und zumeist zu einer Linie geformter Excimer-Laserstrahl gepulst über ein mit amorphem Silizium beschichtetes Substrat geführt. Der Laserstrahl wird in der typischerweise nur 50 bis 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne dabei das Substrat aufzuheizen. Das Strahlprofil des Excimer-Lasers wird in eine stabile homogene Linie, bspw. mit einer Länge von bis zu 465 mm und einer Breite von nur 0,4 mm umgewandelt, die zumeist Energiedichten zwischen 350 bis 400 mJ/cm2 aufweist. Bei diesem Verfahren wird die Schicht aus amorphem Silizium jedoch nicht vollständig durchschmolzen. Beim Abkühlen setzt ein Kristallwachstum ein, das an der Phasengrenze der fest bleibenden unteren Siliziumschicht beginnt und sich in Richtung der oberen aufgeschmolzenen Siliziumschicht fortsetzt.
  • Grundsätzlich hat sich dieses Verfahren für die Herstellung von polykristallinen Siliziumschichten für den Einsatz in Bildschirmen bestens bewährt. Werden jedoch für die Flachbildschirme Schaltkreise höherer Performance benötigt, so reicht die durch dieses Verfahren erreichte Korngröße des sich ausbildenden polykristallinen Siliziums nicht aus. So führen Korngrenzen im Halbleitermaterial zu einer Verminderung der effektiven Elektronenbeweglichkeit. Werden extrem schnelle Schaltungen benötigt, so setzt dies Elektronenbeweglichkeiten ähnlich der im einkristallinen Si voraus. Aus diesem Grund werden insbesondere zur Realisierung sehr schneller Schaltungen größere Korngrößen angestrebt.
  • Um größere Körner und damit verbunden auch qualitativ hochwertigere Displays herstellen zu können, wird in einem weiterentwickelten Verfahren ein Maskenabbildungsverfahren angewandt, bei dem ein durch eine Maskenstruktur vorgegebenes Belichtungsfeld schrittweise über die Substratoberfläche geführt wird, um Mikrostrukturen ausgerichteter Kristallite in Siliziumschichten zu erzeugen. Im Gegensatz zum vorstehend erläuterten Verfahren wird die amorphe Siliziumschicht nun vollständig durchschmolzen, so dass die Kristallisierung nicht an der Phasengrenze der unteren Siliziumschicht, sondern an seitlichen Phasengrenzen zwischen Bereichen von festen und geschmolzenen Silizium beginnt. Beim Abkühlen findet ein kontrolliertes Kristallwachstum statt, das von den nicht aufgeschmolzenen Rändern des Belichtungsfeldes ausgeht. Dies führt zu den gewünschten Mikrostrukturen.
  • Gilt es möglichst großflächig zusammenhängende Bereiche einer amorphen Siliziumoberfläche im Wege des ELA Verfahrens thermisch zu behandeln, so bedient man sich üblicherweise einer Vorrichtung, bestehend aus einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser, einer gerätespezifisch vorgegebenen optischen Strahlumlenkungseinheiten, einer optischen Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit, die den Laserstrahl derart zu beeinflussen vermag, dass der Laserstrahl über die gesamte Laserstrahlquerschnittsfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist, zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten rechteckförmigen Laserstrahlquerschnittes, typischerweise mit einer Dimension von 465 mm × 0,5 mm, der auf die Substratoberfläche eines auf einem x-y-Stelltisch aufliegenden Substrates abgebildet wird.
  • Zur vollständigen Belichtung bzw. Bestrahlung der aus amorphem Silizium bestehenden Substratoberfläche verfährt der x-y-Stelltisch die Substratoberfläche linear längs der kurzen Achse des Strahlquerschnittes. Um ein möglichst gleichmäßiges Kristallwachstum durch Umwandlung des amorphen Siliziums in polykristallines Silizium zu erhalten, gilt es die auf die Substratoberfläche abgebildeten Laserstrahlquerschnitte derart zu platzieren, so dass sich jeweils zwei in zeitlich unmittelbarer Abfolge auf die Substratoberfläche projizierten Laserstrahlquerschnitte bis zu 95% ihrer Querschnittsfläche gegenseitig überlappen.
  • Zur Farbbilddarstellung bei modernen Flachbildschirmen, die auf der Dünnschichttransistortechnologie (TFT) beruhen, bedarf es einer großen Vielzahl einzelner, matrixförmig angeordneter Bildpunkte, die ihrerseits jeweils aus drei getrennt ansteuerbaren Dünnschichttransistoren bestehen, die zur helligkeitskontrollierten Durchstrahlung jeweils eines Farbfilterfeldes zur Umsetzung eines RGB-Signals dienen. Hierzu ist jedem einzelnen Farbfilterbereich ein sogenannter TFT-Farbpixeltreiber zugeordnet, der durch entsprechende elektrische Spannungsansteuerung die optischen Durchstrahlungsverhältnisse innerhalb des ihm zugeordneten Farbfilterbereiches zu beeinflussen vermag. Der TFT-Farbpixeltreiber deckt aufgrund seiner nur geringen Größe lediglich einen kleinen Teilbereich der ihm in Durchstrahlungsrichtung zugeordneten Farbfilterfläche ab, so dass zur Herstellung sämtlicher auf einer Substratoberfläche matrixförmig anzuordnender TFT-Farbpixeltreiber lediglich nur jene Flächenbereiche aus polykristallinem Silizium bestehen müssen, in denen die Dünnfilm-Transistoren zur Farbpixelansteuerung vorzusehen sind.
  • Besonders bei der Herstellung von großflächigen TFT-Monitorflächen beträgt der Flächenanteil der TFT-Farbpixeltreiber gemessen an der Gesamtoberfläche der Monitoroberfläche weniger als 5%. Auch ist es aus optischen Gründen keineswegs erforderlich, das mit der amorphen Siliziumschicht versehenen Substratoberfläche vollständig in polykristallines Silizium umzuwandeln. Vielmehr ist es aus Kostengründen vorteilhafter lediglich jene Flächenanteile gezielt mit Laserlicht zu beaufschlagen und lokale Inselbereiche mit kristallinem Silizium zu erzeugen, an denen die TFT-Farbpixeltreiber positioniert werden.
  • Eine mögliche Realisierung zur Prozessierung eines in der vorstehenden Weise beschriebenen mit einer amorphen Siliziumschicht versehenen Flächensubstrates ist in der DE 10 2004 043 895 A1 beschrieben. Hierin wird ein mehrstrahliges Mikro-Bearbeitungssystem erläutert, das mittels wenigstens einer Laserlichtquelle eine Vielzahl unabhängig positionierbarer Laserstrahlen zu generieren in der Lage ist, die auf frei wählbare Orte auf einem zu belichtendem Substrat abbildbar sind. Der hierfür erforderliche apparative Aufwand ist beträchtlich, zumal für die Strahlführung jedes einzelnen Laserstrahls ein getrenntes Laserstrahlsteuermodul sowie Fokussierungsmodul vorzusehen ist.
  • Einen ähnlichen Ansatz zur optischen Oberflächenbehandlung einer vorzugsweise mit amorphem Silizium versehenen Substratoberfläche verfolgt die WO 03/071344 A1 , die gleichsam die gleichzeitige Bestrahlung der Substratoberfläche mit einer Vielzahl einzelner auf die Substratoberfläche fokussierte Laserstrahlen vorsieht.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur lokalen thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates, vornehmlich für den Einsatz zur Prozessierung einer mit amorphem Silizium überzogenen Substratoberfläche zu deren selektiv lokalen Umwandlung in polykristallines Silizium, derart weiterzubilden, dass die hierfür erforderlichen verfahrenstechnischen Aufwendungen möglichst minimiert und dadurch kostenreduziert werden. Gleichsam gilt es dafür Sorge zu tragen, dass die Positioniergenauigkeit, mit der die Vielzahl lokaler Oberflächenbereiche festgelegt wird, in denen eine optisch induzierte Kristallstrukturumwandlung erfolgen soll, überaus hoch sein soll. Der hierfür erforderliche apparative Aufwand sollte dabei möglichst gering gehalten werden. Darüber hinaus sollen so genannte stitch-lines, d. h. die scharfen Seitenkanten, die den auf die Substratoberfläche abgebildeten Laserstrahlquerschnitt lateral begrenzen, im Bereich des Transistors völlig vermieden werden.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Das lösungsgemäße Verfahren zur lokalen thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates, in weiteren kurz Substratoberfläche genannt, wird mittels eines Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls durchgeführt, der am Ort der Substratoberfläche jeweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnitt aufweist. Hierbei wird das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt, wobei der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrates längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird. Die Auslenkung des Laserstrahls relativ zu der sich bewegenden Substratoberfläche erfolgt dabei derart, dass die Laserstrahlquerschnitte von n größer gleich zwei Laserpulsen mit einem gegenseitigen Überdeckungsgrad von wenigstens 80% auf einem ersten, diskret vorgebbaren lokalen Bereich der Substratoberfläche abgebildet werden.
  • Das lösungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es gilt eine gezielte Deponierung von Lichtenergie an lokal begrenzten Oberflächenbereichen vorzunehmen und dies vorzugsweise an einer Vielzahl unterschiedlichen Orten der Substratoberfläche. In besonders vorteilhafter Weise eignet sich das lösungsgemäße Verfahren zur eingangs erwähnten Prozessierung von mit amorphem Silizium beschichteten Substratoberflächen letztlich zum Zwecke der Herstellung einer Vielzahl matrixförmig auf einer Substratoberfläche verteilt angeordneter Dünnschichttransistoren.
  • Da die pro Laserpuls auf die amorphe Siliziumoberfläche deponierte Lichtenergie zumeist nicht ausreicht, den belichteten Siliziumbereich vollständig bei einmaliger Belichtung in eine polykristalline Siliziumstruktur umzuwandeln, bedarf es einer Mehrfachbelichtung bzw. -bestrahlung des jeweiligen lokalen Siliziumoberflächebereiches. Da sich jedoch die Substratoberfläche mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit längs einer Raumrichtung fortbewegt wird und dies in zeitlich periodischer Abfolge in jeweils entgegengesetzte Raumrichtungen, gilt es zur gezielten Deponierung an Laserlichtenergie auf einem vorgewählten lokalen Substratoberflächenbereich den Laserstrahl mit der Bewegung der Substratoberfläche zu synchronisieren, so dass sichergestellt werden kann, dass eine Abfolge von n Laserpulsen mit gegenseitiger Überlagerung auf dem lokal begrenzten Substratoberflächenbereich weitgehend exakt zusammentreffen. Die Anzahl n der für die Belichtung eines lokal vorgegebenen Substratoberflächenbereiches wird in Abhängigkeit der pro Laserpuls auf der Substratoberfläche deponierten optischen Laserlichtenergiedichte sowie der Schichtdicke der Siliziumschicht gewählt, so dass letztlich sichergestellt werden kann, dass innerhalb des prozessierten, lokal begrenzten Substratoberflächenbereiches eine vollständige Umwandlung des anfänglich amorphen Siliziums in poly-kristallines Silizium erfolgt.
  • Ist eine vollständige poly-kristalline Strukturumwandlung innerhalb eines lokal begrenzten Substratoberflächenbereiches durch n-malige Laserstrahlbelichtung erreicht, so wird der Laserstrahl ohne den Pulsbetrieb zu unterbrechen an einen weiteren noch nicht belichteten lokalen Substratoberflächenbereich positioniert, der gleichfalls mit n-Laserpulsen zur Herstellung einer kristallinen Siliziumumwandlung beaufschlagt wird.
  • Nicht notwendigerweise jedoch bevorzugt ist die pro Laserpuls auf die Substratoberfläche zu deponierende optische Energiedichte konstant zu wählen. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, in denen die den Laserpulsen zuordenbare optische Energiedichte einer zeitlichen Variation unterliegen kann.
  • Ferner ist es vorteilhaft, insbesondere zur Vermeidung möglicherweise optisch störend in Erscheinung tretende Kanten- oder Linienmuster den Überdeckungsgrad der jeweils n an einem vorgegebenen lokalen Ort der Substratoberfläche zu deponierenden Laserpulse nicht exakt 100% zu wählen, sondern die einzelnen den Laserpulsen zuordenbaren, auf die Substratoberfläche projizierten Laserstrahlquerschnitte jeweils mit einem leicht geometrischen Versatz zueinander anzuordnen, so dass der den lokal belichteten Substratoberflächenbereich zuordenbare Umfangsrand durch einen diffusen Übergangsbereich beschreibbar ist, innerhalb dem ein gradueller Strukturübergang von amorphen zu polykristallinen Silizium erfolgt.
  • Vorzugweise werden die Belichtungsmuster von jeweils n Laserpulse auf einen lokalen Bereich der zu behandelnden Substratoberfläche derart positioniert, dass der auf der Substratoberfläche belichtete Oberflächenbereich der tatsächlichen Dimension und Größe eines einzelnen Dünnschichttransistors entspricht. Wie unter Bezugnahme auf eines der nachstehenden Ausführungsbeispiele gezeigt wird, sind die Vielzahl der einzelnen zu belichtenden lokalen Substratoberflächenbereiche und damit verbunden letztlich die Orte der Dünnschichttransistoren matrixförmig über die gesamte Substratoberfläche verteilt, d. h. in einem durch Zeilen und Spalten charakterisierbaren Ordnungsmuster angeordnet. So befindet sich jeder einzelne Dünnschichttransistor innerhalb eines Farbfilterbereiches, wobei die einzelnen Farbfilterbereiche wiederum in einer aus der Fernsehtechnik bekannten sogenannten Black-Matrix angeordnet sind.
  • Eine alternative Verfahrensvariante sieht gegenüber der vorstehend beschriebenen, auf die jeweils räumliche Dimension der Dünnschichttransistoren beschränkte Belichtungsweise eine linienförmige Kristallisation pro auf die Substratoberfläche projizierten Laserpuls vor. Da die einzelnen auf der Substratoberfläche anzuordnenden Dünnschicht-Transistoren zeilen- oder spaltenförmig, neben- bzw. untereinander in regelmäßiger Anordnungsreihenfolge positioniert sind, bietet es sich alternativ an, beispielsweise sämtliche längs einer Zeile angeordnete Dünnschichttransistoren im Wege einer einzigen n-mal vorzunehmenden Laserpulsabfolge zu prozessieren. Zwar werden in diesem Fall auch nicht für die Funktion der Dünnschichttransistoren erforderliche Zwischenbereiche zwischen jeweils zwei Dünnschichttransistoren mit Laserlichtenergie beaufschlagt, wodurch letztlich mehr Lichtenergie als erforderlich zu investieren ist, doch kann auch auf diese Weise im Vergleich zu konventionellen ganzflächigen Bestrahlungstechniken Lichtenergie in der Größenordnung von bis zu 90% eingespart werden. Vorteilhaft bei dieser Verfahrensvariante ist jedoch eine deutliche Reduzierung der für den Belichtungsvorgang erforderlichen Bestrahlungszeit, die einen wichtigen Produktionsfaktor in der industriellen Fertigung darstellt.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
  • 1 schematisierte Darstellung eines vergrößerten Ausschnittes von einem Farbbildmonitor in TFT-Technik,
  • 2 schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens,
  • 3a, b a) schematisierte Darstellung einer Farbpixeldarstellung mit jeweils lokal belichteten Bereichen, die einzelnen Dünnschichttransistoren entsprechen, sowie b) schematisierte Darstellung einer Farbpixeldarstellung mit einem sich zeilenförmig erstreckenden Belichtungsbereich, der eine Vielzahl in einer Zeile angeordneter Dünnschicht Transistoren umfaßt.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • Zur Illustration der Anordnung sowie auch der Größenverhältnisse einzelner Dünnschichttransistoren TFT im Lichte der diesen zuordenbaren Farbfilterbereichen R, G, B sei auf 1 verwiesen, die einen stark vergrößerten und schematisierten Ausschnitt einer Farbfernsehoberfläche basierend auf TFT-Technik zeigt. So sei angenommen, dass längs der Bildschirmoberfläche 1 in Zeilen z und Spalten s neben- bzw. untereinander angeordnete Farbbildpunkte 2 angeordnet sind. Jeder einzelne Farbbildpunkt 2 besteht aus drei Farbfilterbereiche R, G, B, die den spektralen Grundfarben Rot, Grün und Blau entsprechen. Jeder einzelne Farbfilterbereich, der im gezeigten Ausführungsbeispiel rechteck-förmig ausgebildet ist und eine lange Rechteckseite von ca. 400 μm und eine kurze Rechteckseite von ca. 100 μm aufweist, sieht innerhalb des rechteckförmigen Bereiches eine Schaltung bestehend aus einigen Dünnschichttransistor TFT vor, die typischerweise von quadratischer Form ist und eine Kantenlänge von etwa 50 μm aufweist. Zur Funktion jedes einzelnen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils an der linken oberen Ecke eines jeweiligen Farbfilterbereiches R, B, G angeordneten Dünnschichttransistors TFT gilt es polykristallines Silizium bereitzustellen, wohingegen der sämtliche übrige Substratoberflächenbereich nicht notwendigerweise polykristallines Silizium vorsehen muss.
  • Berücksichtigt man in diesem Zusammenhang eine gängige Bildschirmoberfläche mit einer Bildschirmdiagonale von 40 Zoll und einer Bildpunktdichte von 1920 × 1080, so liegt es in Anbetracht auf die schematisierte Darstellung gemäß 1 auf der Hand, dass der nicht von den Dünnschichttransistoren TFT abgedeckte Flächenbereich der Bildschirmoberfläche bei weitem überwiegt, so dass es sinnvoll ist, bei der Prozessierung bzw. Herstellung der einzelnen TFT-Bereiche auch nur jene Bereiche einem Belichtungsschritt zur Umwandlung von amorphen zu polykristallinem Silizium zu unterziehen.
  • Hierbei greift man auf die in 2 dargestellte Anordnung zur Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens zurück, bestehend aus einem Laser 1, vorzugsweise einem Excimer-Laser, einer gerätespezifisch vorgegebenen optischen Strahlumlenkungseinheiten 2, einer optischen Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit 3, die den Laserstrahl derart zu beeinflussen vermag, dass der Laserstrahl über die gesamte Laserstrahlquerschnittsfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist, durch die eine im Strahlengang nachfolgende Maske 4 gleichmäßig ausgeleuchtet wird, zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnittes. So sei im Weiteren angenommen, dass der Laserstrahlquerschnitt einem Rechteck entspricht, das eine gleichmäßig homogen ausgeleuchtete Fläche, die von vier Seitenkanten begrenzt ist, aufweist. Der somit rechteckige Laserstrahlquerschnitt wird über eine um wenigstens zwei Raumachsen schwenkbare Ablenkeinheit 5 und eine im Strahlengang der Ablenkeinheit 5 nachfolgenden optischen Abbildungseinheit 6 auf die Substratoberfläche 7 eines auf einem x-y-Stelltisch 8 aufliegenden Substrates 9 abgebildet. Aus Gründen einer exakten Fokussierung des Maskenbildes auf die Substratoberfläche 7, auf der das Maskenbild mit homogener Flächenbeleuchtung und scharf ausgebildeten Maskenbildseitenflanken abgebildet werden soll, bietet es sich an, die optische Abbildungseinheit 6 als F-θ-Linsen sowie die um wenigstens zwei Raumachsen verschwenkbare Ablenkeinheit 5 als x-y-Galvospiegelsystem mit an die optischen Abbildungseigenschaften der F-θ-Linsen 6 opitmiert angepaßte Reflexionseigenschaften auszubilden. Der x-y-Stelltisch 8 verfährt die Substratoberfläche 7 linear hin und her, während die Ablenkeinheit 5 den gepulsten Laserstrahl relativ zu der sich mit konstanter Geschwindigkeit längs einer linearen Raumrichtung fortbewegenden Substratoberfläche für den gwünschte Zahl der überlagerten Pulse stationär hält, so dass die einzelnen durch die Maskenform vorgegebenen, auf die Substratoberfläche 7 fokussierten Laserstrahlquerschnitte in der Summe aufeinander liegend abgebildet werden.
  • In Bezugnahme auf beispielsweise die Herstellung eines in Verbindung mit 1 erwähnten 40 Zoll Farbdisplays basierend auf TFT-Technik gilt es ein entsprechend groß gewähltes Flächensubstrat vorzusehen, das eine Größe von 930 mm × 550 mm besitzt und einseitig mit amorphem Silizium beschichtet ist. Das Flächensubstrat wird zur gesteuerten Linearbewegung auf den in 2 dargestellten x-y-Stelltisch 8 aufgebracht. Um das mit der amorphen Siliziumschicht einseitig beschichtete Flächensubstrat lediglich an jenen Stellen mit Laserenergie zu beaufschlagen, an denen die in 1 entnehmbaren TFT vorgesehen sind, deren Flächenanteil in Summe gemessen zur Gesamtfläche der Substratoberfläche weniger als 5% beträgt, gilt es den Laserstrahlquerschnitt mit Hilfe der Maske 4 in eine Rechtecks- oder Quadratform überzuführen, die der Form und Größer des jeweils herzustellenden Dünnschichttransistors entspricht und typischerweise eine Seitenkantenlänge von etwa 50 μm besitzt. Die in 2 dargestellte Anordnung trägt dafür Sorge, dass die Energiedichte längs des gesamten Laserstrahlquerschnittes homogen verteilt ist. Mit Hilfe der als x-y-Galyospiegelsystem ausgebildeten Ablenkeinheit 5 werden in Folge n, beispielsweise n = 20 Laserpulse auf einen vorgebbaren Oberflächensubbereich 3.1 gemäß Bilddarstellung in 3 gerichtet. 3 zeigt gleichsam die Positionen der einzelnen TFT-Elemente innerhalb einzelner, matrixförmig angeordneter Farbfilterbereiche. Da, wie eingangs erwähnt, die Energiedeponierung im Rahmen eines einzigen Laserpulses nicht ausreicht, die gesamte Tiefe der amorphen Siliziumschicht im Subbereich 3.1 in polykristallines Silizium umzuwandeln, erfolgt eine Vielfachbestrahlung des Sub-Bereiches 3.1. Hierbei werden die n beispielsweise 20 zeitlich aufeinander folgende Laserpulse weitgehend bewegungssynchron zur Bewegung der Substratoberfläche am Ort des Subbereiches 3.1 mitgeführt. Ist der Sub-Bereich 3.1 vollständig bestrahlt, d. h. ist die Strukturumwandlung des Siliziums vollendet, so erfolgt eine Neupositionierung der nachfolgenden n = 20 Laserpulse auf den Sub-Bereich 3.2, der gleichsam mit Laserpulsen beaufschlagt wird. In gleicher Weise werden sämtliche übrigen Sub- Bereiche, die letztlich den Flächenausdehnungen der einzelnen TFT's entsprechen, belichtet.
  • Alternativ zu der in 3 gezeigten Vorgehensweise bietet es sich ebenso an, eine längliche Laserstrahlquerschnittsform 12 zur Belichtung der Substratoberfläche zu wählen, die einerseits an die Gesamtlänge der Substratoberfläche und andererseits an die Dimension des jeweiligen TFT's angepaßt ist, gemäß Bilddarstellung in 4. Da sämtliche TFT nebeneinander längs einer Zeile z äquidistant zueinander angeordnet sind, ist es möglich, sämtliche längs einer Zeile z angeordnete, jeweils einzelnen TFT's zuordenbare Sub-Bereiche auf einmal zu belichten und somit eine kristalline Umformung von amorphem zu polykristallinem Silizium zu erhalten. Zwar werden auf diese Weise auch Substratoberflächenbereiche belichtet, die nicht zur Funktion der TFT's beitragen, doch bietet sich diese verfahrenstechnische Vorgehensweise besonders für die industrielle Herstellung derartige Produkte an. Auch in diesem Fall gilt es n beispielsweise 20 Laserpulse auf die in 4 dargestellte Substratoberfläche durch jeweils bewegungssynchron zur Bewegung der Substratoberfläche zu richten.
  • Sind n = 20 Laserpulse längs der ersten Zeile deponiert, so wird der Laserstrahl im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Zeile nach unten versetzt um weitere n = 20 Laserpulse zu deponieren usw.. Selbstverständlich ist es auch möglich die längliche bzw. linienhafte Laserstrahlquerschnittsform 12 derart auf die Substratoberfläche abzubilden, so dass sämtliche in einer Spalte s angeordnete TFT entsprechend prozessiert werden.
  • Mit dem lösungsgemäßen Verfahren ist man in der Lage, den für die Herstellung derartiger TFT-Topologien erforderlichen Energieeintrag in Form von optischer Laserlichtenergie erheblich zu reduzieren, wodurch einerseits die Ressourcen bezüglich der Erzeugung von Laserlicht geschont und andererseits die Energiekosten reduziert werden können. Zudem kann das so genannte Stitchen, d. h. das Aneinandersetzen von Begrenzungslinien benachbarter Laserstrahlquerschnitte bzw. die Abbildung von Stich-lines jeweils in den Flächenbereich des Transistors vermieden werden!
    • 1
    Laser
    2
    optische Strahlumlenkungseinheit
    3
    Homogenisierungseinheit
    4
    Maske
    5
    Ablenkeinheit
    6
    Substrat
    7
    Substratoberfläche
    8
    Stelltisch
    9
    Bildschirmoberfläche
    10
    Bildpunkt
    11.1, 11.2
    Sub-Bereiche
    12
    linienhafter Laserstrahlquerschnitt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004043895 A1 [0011]
    • - WO 03/071344 A1 [0012]

Claims (13)

  1. Verfahren zur lokalen thermischen Oberflächenbehandlung eines Flächensubstrates, im Weiteren kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der am Ort der Substratoberfläche jeweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstahlquerschnitt aufweist, bei dem das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt wird und bei dem der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird, wobei der Laserstrahl derart relativ zur der sich bewegenden Substratoberfläche ausgelenkt wird, so dass die Laserstrahlquerschnitte von n ≥ 2 Laserpulsen mit einem gegenseitigen Überdeckungsgrad von wenigstens 80% auf einem ersten diskret vorgebbaren lokalen Bereich der Substratoberfläche abgebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nach erfolgter Deponierung von n Laserpulsen auf den ersten Bereich der Substratoberfläche an einen zweiten vorgebbaren, lokalen Bereich der sich bewegenden Substratoberfläche positioniert wird, an dem gleichsam die Laserstrahlquerschnitte von n Laserpulsen in Abfolge abgebildet werden, und dass weitere Depositionen von jeweils n Laserpulsen an einer Vielzahl weiterer diskret vorgebbarer lokalen Bereichen auf der Substratoberfläche nachfolgen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den einzelnen Laserpulsen zuordenbare Energiedichte konstant gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abfolge von jeweils n Laserpulsen die den einzelnen Laserpulsen zuordenbare Energiedichte einer zeitlichen Variation unterliegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Positionierung der auf einen diskret vorgebbaren lokalen Bereich der Substratoberfläche abbildbaren n Laserstrahlquerschnitte mit einer längs wenigstens einen Raumachse relevanten Positionierungsunschärfe vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsunschärfe maximal 20% bezogen zur räumlichen Erstreckung des Laserstrahlquerschnittes längs dieser Raumachse beträgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Flächensubstrats zumindest eine Schicht aus einem amorphem Halbleiter vorgesehen wird, der bei Bestrahlung mit dem Laserstrahl zumindest teilweise aufgeschmolzen und nach Erkalten in eine poly-kristalline Form umgewandelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter amorphes Silizium vorgesehen wird, das im Wege eines Augschmelzvorganges und nachfolgendem Erkalten in polykristallines Silizium übergeht.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Substratoberfläche abgebildete Laserstrahlquerschnitt derart gewählt wird, dass der Laserstrahlquerschnitt einen durch k ≥ 3 geradlinige Begrenzungslinien einbeschreibbaren Umfangsrand, vorzugsweise einen rechteckförmigen Umfangsrand, aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mittels einer wenigstens um zwei Raumachsen (x-y) schwenkbaren Ablenkeinheit und einer im Strahlengang der Ablenkeinheit nachfolgenden Optikeinheit, vorzugsweise einer F-Theta Linsenanordnung, auf die Substratoberfläche abgebildet werden, dass der Optikeinheit ein auf der Substratoberfläche begrenzter Aperturbereich (FOV) zuordenbar ist, innerhalb dem die Laserpulse räumlich verteilt positioniert werden, und dass die Substratoberfläche relativ zum ruhenden Aperturbereich längs der ersten Raumachse bewegt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche relativ zum ruhenden Aperturbereich längs der ersten Raumachse mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratoberfläche ein für die Herstellung von AMLCD (Active-Matrix-Liquid-Crystal-Display) oder von AMOLED (Active-Matrix-Organic-Light-Emitting-Diode) geeignetes Substrat gewählt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Lichttransparenten Flächensubstrat eine amorphe Siliziumschicht aufgebracht wird, dass die amorphe Siliziumschicht in nach Spalten und Zeilen angeordnete Einzelflächenelemente unterteilt wird, in denen jeweils ein diskret vorgebbarer lokaler Sub-Bereich enthalten ist, der in jedem Einzelflächenelement gleich ausgebildet und angeordnet ist, und dass a) ausschließlich die lokalen Sub-Bereiche oder b) die Sub-Bereiche einschließlich von zeilen- oder spaltenweise zwischen den Sub-Bereichen liegenden Zwischenbereichen jeweils mit n Laserpulsen beaufschlagt werden.
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