DE102007025943B4 - Process for the thermal treatment of a substrate surface by means of laser light - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur thermischen Behandlung einer Oberfläche eines Flächensubstrates, mittels eines Lasers (1) zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche (7) gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnittes eine, einer Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit (3) im Strahlengang nachfolgende Maske (4) gleichmäßig ausleuchtet, wobei der Laserstrahlquerschnitt einen durch k > 3 geradlinige Begrenzungslinien einbeschriebenen Umfangsrand aufweist und mittels einer wenigstens um zwei Raumachsen (x-y) schwenkbaren Ablenkeinheit (5) und einer im Strahlengang der Ablenkeinheit (5) nachfolgenden Optikeinheit (6) auf die Substratoberfläche (7) abgebildet wird, wobei der Optikeinheit (6) ein auf der Substratoberfläche (7) begrenzter Aperturbereich (FOV) (10) zugeordnet wird und das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse relativ zum ruhenden Aperturbereich (10) bewegt wird und 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 (7) ausgerichtet ist, innerhalb des Aperturbereiches (10) räumlich verteilt ausgelenkt und positioniert wird, wobei der Laserstrahl wenigstens unter Maßgabe der zwei nachfolgenden räumlichen Auslenkkriterien für jeden Laserpuls relativ zur Substratoberfläche (7) derart räumlich positioniert wird, dass die Bestrahlung der Substratoberfläche (7) derart erfolgt, dass benachbart auf der Substratoberfläche (7) abgebildete, einer Vielzahl m einzelner Laserpulse zugeordneter Laserstrahlquerschnitte nahtlos jeweils mit Abschnitten ihrer Umfangsränder aneinandergrenzen und einen Bestrahlungslayer ausbilden und dass die Substratoberfläche zumindest in einem Teilbereich wiederholt unter Ausbildung jeweils n Bestrahlungslayern n-mal, mit n ≥ 2 bestrahlt wird, wobei die Umfangsränder von auf der Substratoberfläche (7) abgebildeten Laserstrahlquerschnitten, die zu unterschiedlichen Bestrahlungslayern gehören, jeweils einen konstant vorgegebenen räumlichen Versatz aufweisen und wobei die räumliche Positionierung zweier jeweils zeitlich aufeinander folgender Laserpulse in Bezug auf die Ortsposition innerhalb eines Bestrahlungslayers und/oder in Bezug auf die Zugehörigkeit zu jeweils einem Bestrahlungslayer stochastisch vorgenommen wird.Process for the thermal treatment of a surface of a surface substrate, by means of a laser (1) for generating a pulsed laser beam directed towards the substrate surface (7), which generates a homogeneously illuminated laser beam cross section, one beam shaping and homogenizing unit (3) in the beam path Mask (4) evenly illuminates, wherein the laser beam cross-section inscribed by k> 3 linear boundary lines peripheral edge and by means of at least two spatial axes (xy) pivotable deflection unit (5) and in the beam path of the deflection unit (5) subsequent optical unit (6) the substrate surface (7) being imaged, the optical unit (6) being associated with an aperture region (FOV) (10) delimited on the substrate surface (7) and the surface substrate being moved at least along a first spatial axis relative to the stationary aperture region (10) and Independent laser beam ig of the movement of the surface substrate along the first and along a, aligned to the first spatial axis second spatial axis, which is aligned parallel to the substrate surface (7) is deflected spatially distributed and positioned within the aperture region (10), wherein the laser beam at least Given the two subsequent spatial Auslenkkriterien for each laser pulse relative to the substrate surface (7) is spatially positioned such that the irradiation of the substrate surface (7) is such that adjacent on the substrate surface (7) mapped, a plurality m individual laser pulses associated laser beam cross sections seamlessly contiguous with portions of their peripheral edges and forming an irradiation layer, and that the substrate surface is irradiated n times at least in a partial area to form n irradiation layers n times, with the peripheral edges of on the substrate top (7) imaged laser beam cross sections, which belong to different irradiation layers, each having a constant predetermined spatial offset and wherein the spatial positioning of two temporally successive laser pulses with respect to the spatial position within an irradiation layer and / or with respect to the membership of one Irradiation layer is stochastically made.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur thermischen Behandlung einer Oberfläche 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.The invention relates to a method for the thermal treatment of a surface of a surface substrate, hereinafter referred to as substrate surface by means of a laser for generating a directed to the substrate surface, pulsed laser beam, each having a homogeneously illuminated laser steel cross section at the location of the substrate surface, wherein the Surface substrate is moved at least along a first spatial axis and in which the laser beam is deflected independently of the movement of the surface substrate along the first and along a, to the first spatial axis orthogonally oriented second spatial axis, which is aligned parallel to the substrate surface. In the above manner thermally treated surface substrates are suitable for. B. for the production of thin-film transistors based on polycrystalline silicon. Thin-film transistors are preferably used in the field of flat screens, be it for PC, TV or other devices, especially in consumer electronics. Thin amorphous silicon layers, which are typically deposited by 50 nm on glass or plastic substrate substrates in layer thicknesses, are briefly melted by exposure to laser radiation in these so-called LTPS (Low Temperature Polysilicon Technology) processes and solidify on cooling to form polycrystalline layers especially for the production of active matrix LCD and active matrix OLED are particularly suitable.
Das vorstehende Verfahren lässt sich im erweiterten Sinne grundsätzlich auf sämtliche technischen Fälle anwenden, bei denen es gilt Flächensubstrate zum Zwecke lokaler Erhitzung, bspw. zur Durchführung lokaler Sinterprozesse, mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen und dies in zeitlicher Abfolge an jeweils unterschiedlichen Stellen des Flächensubstrates. Durch die Relativbeweglichkeit des zumeist auf einem x-y-Stelltisch gelagerten Flächensubstrats zum Laserstrahl lassen sich somit bedarfsweise auch großflächig zusammenhängende Bereiche der Substratoberfläche mit dem Strahlfleck des Laserstrahls beleuchten.In a broader sense, the above method can basically be applied to all technical cases in which surface substrates for the purpose of local heating, for example for performing local sintering processes, are exposed to a laser beam and this in chronological succession at respectively different locations of the surface substrate. As a result of the relative mobility of the surface substrate, which is usually mounted on an x-y stage, to the laser beam, areas of the substrate surface which are contiguous over a large area can thus be illuminated with the beam spot of the laser beam as required.
Stand der TechnikState of the art
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.For the production of flat-panel displays on an industrial scale using the above-mentioned LTPS method, it is inevitable to carry out the crystallization process of the amorphous silicon as quickly as possible. For this reason, excimer lasers are preferably used for the melting of the amorphous layer, which in addition to the required wavelength in the UV spectral range, an excellent efficiency, also provide large light outputs available. Basically, with the use of excimer lasers, some processing methods have emerged with which the amorphous silicon can be converted such that a high field-effect mobility of free charge carriers required for highly efficient thin-film transistors can be ensured.
Bei dem so genannten ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing) wird ein homogenisierter und zu einer Linie geformter Laserstrahl gepulst über das mit amorphem Silizium beschichtete Substrat geführt. Der Laserstrahl wird in der typischerweise nur 50 bis 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne dabei das Substrat aufzuheizen. Beim ELA-Verfahren wird das Strahlprofil des Excimer-Lasers 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. Zum Stand der Technik bei den ELA-Verfahren sei auf die
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 als sie mit dem herkömmlichen ELA-Verfahren erreichbar sind.Basically, this method has proven to be very well suited for the production of polycrystalline silicon layers for use in screens. However, if circuits of higher performance are required for the flat screens, the particle size of the polycrystalline silicon that is formed by this method is insufficient. Thus, grain boundaries in the semiconductor material lead to a reduction of the effective electron mobility. If extremely fast circuits are required, this requires electron mobilities similar to those in monocrystalline Si. For this reason, larger particle sizes are sought in particular for the realization of very fast circuits than can be achieved with the conventional ELA method.
Um größere Körner und damit verbunden auch komplexre Schaltkreise in die Displays zu integrieren, ist das so genannte SLS-Verfahren (Sequential Lateral Solidification) entwickelt worden. Bei diesem Verfahren wird im Gegensatz zum vorher beschriebenen ELA-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 ELA-Verfahren wird die amorphe Siliziumschicht beim SLS-Verfahren 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. Im Gegensatz zum ELA Verfahren findet somit das Kristallwachstum beim SLS-Verfahren nicht vertikal sondern horizontal, d. h. lateral, statt.In order to integrate larger grains and associated complex circuits in the displays, the so-called SLS method (Sequential Lateral Solidification) has been developed. In this method, in contrast to the previously described ELA method, a mask imaging method is used in which an exposure field given by a mask structure is guided stepwise over the substrate surface to produce microstructures of aligned crystallites in silicon layers. In contrast to the ELA process, the amorphous silicon layer is completely melted during the SLS process, so that the Crystallization does not begin at the phase boundary of the lower silicon layer, but at lateral phase boundaries between regions of solid and molten silicon. On cooling, controlled crystal growth takes place, starting from the unfused edges of the exposure field. This leads to the desired microstructures. In contrast to the ELA method, therefore, the crystal growth in the SLS process does not take place vertically but horizontally, ie laterally.
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 Strahlumlenkungseinheit, 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 × 0,4 mm, der auf die Substratoberfläche eines auf einem x-y-Stelltisch aufliegenden Substrates abgebildet wird.If it is necessary to thermally treat contiguous regions of an amorphous silicon surface by means of the ELA method, it is customary to use a device consisting of a laser, preferably an excimer laser, a device-specific optical beam deflection unit, an optical beam shaping and homogenizing unit, which is capable of influencing the laser beam in such a way that the laser beam has a substantially uniform intensity distribution over the entire laser beam cross-sectional area to produce a homogeneously illuminated rectangular laser beam cross-section, typically with a dimension of 465 mm × 0.4 mm, on the substrate surface of one on one xy table is placed on resting substrate.
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.For complete exposure or irradiation of the substrate surface consisting of amorphous silicon, the x-y stage moves the substrate surface linearly along the short axis of the beam cross-section. In order to obtain crystal growth that is as uniform as possible by converting the amorphous silicon into polycrystalline silicon, it is necessary to place the laser beam cross sections imaged on the substrate surface such that two laser beam cross sections projected onto the substrate surface in temporal succession overlap each other up to 95% of their cross sectional area ,
Flachbildschirme, insbesondere großflächige Flachbildschirme, die im Wege der vorstehend beschriebenen ELA-Verfahrenstechnik hergestellt werden, weisen fallweise bei Betrachtung der Bildschirmoberfläche in Bezug auf den Helligkeitseindruck optisch wahrnehmbare Inhomogenitäten auf, eine optische Erscheinung die als Mura-Effekt bezeichnet wird, und darüber hinaus auch die Farbbilddarstellung zu beeinträchtigen vermag. Zur Begegnung derartiger Bildschirmdefekte sind nur bedingt technische Maßnahmen verfügbar, die durch individuelle Ansteuerung einzelner Bildschirmpixel einen künstlich generierten Kontrastausgleich herzustellen versuchen. Diese Maßnahmen stoßen jedoch bei besonders ausgeprägt auftretenden Mura-Effekten schnell an Grenzen.Flat screens, in particular large flat screens, which are produced by means of the ELA process technology described above, have optically discernible inhomogeneities occasionally when viewing the screen surface with respect to the impression of brightness, an optical phenomenon referred to as the Mura effect, and moreover Can affect color image representation. To meet such screen defects only limited technical measures are available that try to produce an artificially generated contrast compensation by individual control of individual screen pixels. However, these measures quickly reach their limits in the case of particularly pronounced Mura effects.
Die
Aus einem Artikel von Mariucci, L. et al.: „Advanced excimer laser crystallization techniques”, Thin Solid Films, ISSN 0040-6090.2001, Vol. 383, S. 39–44 geht eine Kristallisationstechnik mittels Excimerlaserbestrahlung hervor, bei der die zu kristallisierende Substratoberfläche einer zweimaligen Bestrahlung unterzogen wird, die einen ersten Bestrahlungsschritt mit einer auf der Substratoberfläche aufliegenden Maske sowie einen zweiten Bestrahlungsschritt mit homogener ganzflächiger Bestrahlung der Substratoberfläche vorsieht.From an article by Mariucci, L. et al .: "Advanced Excimer Laser Crystallization Techniques", Thin Solid Films, ISSN 0040-6090.2001, Vol. 383, pp. 39-44, a crystallization technique using excimer laser irradiation emerges, in which the crystals to be crystallized Substrate surface is subjected to a two-time irradiation, which provides a first irradiation step with a resting on the substrate surface mask and a second irradiation step with homogeneous whole-surface irradiation of the substrate surface.
Aus der
Ein ähnliches Verfahren zum Kristallisieren von Silizium ist der
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur thermischen Behandlung einer Substratoberfläche mittels Laser, vorzugsweise zur Herstellung von Dünnfilm-Transistoren zum weiteren Einsatz in Flachbildschirmen derart anzugeben, dass die vorstehend erwähnten, auf Mura-Effekte zurückzuführenden, optisch wahrnehmbaren Defekte vollständig ausgeschlossen werden sollen. Hierbei gilt es vor allem im wirtschaftlich vertretbaren Kostenrahmen zielführende verfahrenstechnische Modifikationen an bisher üblichen Herstellungsverfahren vorzusehen, um den Produktionsausschuß bzw. die Qualitätseinbuße bei Flachbildschirmen, der bzw. die durch den Mura-Effekt bedingt ist, zu reduzieren.The invention has for its object to provide measures for the thermal treatment of a substrate surface by means of laser, preferably for the production of thin-film transistors for further use in flat screens such that the above-mentioned, attributable to Mura effects, visually perceptible defects should be completely excluded. Here, it is important to provide targeted procedural modifications to hitherto customary production methods in the economically justifiable cost range, in order to reduce the production committee or the quality loss in flat screens, which is due to the Mura effect.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the problem underlying the invention is specified in
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf dem Aufbrechen jeglicher verfahrenstechnisch bedingter Regelmäßigkeit bei der Herstellung von Bildpixel, die eine für das Auge optische wahrnehmbare, störende, durch Inhomogenitäten bedingte Musterbildung hervorzurufen vermag. So registriert das menschliche Auge unbewusst flächig verteilte, regelmäßige Anordnungen von Inhomogenitäten auf einer ansonsten homogen in Erscheinung tretenden Oberfläche, gleichgültig ob es sich hierbei um Farb-, Kontrast- und/oder um Helligkeitsunterschiede handelt, wodurch zumeist ein störender Eindruck gleichsam einer optischen Schwebung auf einer ansonsten homogenen Oberfläche entsteht.The idea underlying the invention is based on the breaking up of any procedurally related regularity in the production of image pixels, which is able to produce a visible to the eye, disturbing, caused by inhomogeneities patterning. Thus, the human eye unconsciously registers flatly distributed, regular arrangements of inhomogeneities on an otherwise homogeneously appearing surface, irrespective of whether these are differences in color, contrast and / or brightness, as a result of which there is usually a disturbing impression, as it were, of an optical beating an otherwise homogeneous surface arises.
Das zur Herstellung derartiger verbesserter Flachbildschirme zugrundeliegende lösungsgemäße Verfahrensprinzip zur thermischen Behandlung der Oberfläche eines Flächensubstrates, oder kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers vorzugsweise eines Excimer-Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, vorzugsweise mit Wellen im ultravioletten Spektralbereich, der am Ort der Substratoberfläche jeweils 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 Flächensubstrates längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird, zeichnet sich derart aus, dass der Laserstrahl wenigstens unter Maßgabe zweier Auslenkkritierien für jeden Laserpuls relativ zur Substratoberfläche derart räumlich positioniert wird, dass zum einen wenigstens ein zusammenhängender Bereich der Substratoberfläche von einer Vielzahl m, mit m > 1, einzelner Laserpulse flächendeckend und ohne gegenseitige Überlappung der den m-Laserpulsen zugeordneten Laserstrahlquerschnitten bestrahlt wird. Zum anderen wird der zusammenhängende Substratoberflächenbereich zumindest in einem Teilbereich n-mal, mit n ≥ 2, wiederholt unter Anwendung des vorstehenden Auslenkkriteriums unter Ausbildung jeweils übereinander liegender, sogenannter n-Bestrahlungslayer, bestrahlt, wobei auf die Substratoberfläche auftreffende Laserstrahlquerschnitte, die jeweils unterschiedlichen Bestrahlungslayern zugeordnet sind, sich nicht vollständig überlappen. Wesentlich hierbei ist, dass eine räumliche Positionierung jeweils zweier zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse in bezug auf ihre Ortsposition innerhalb eines Bestrahlungslayers und/oder in Bezug auf ihre Zugehörigkeit zu jeweils einem Bestrahlungslayer stochastisch, d. h. unregelmäßig vorgenommen wird.The principle underlying the solution for the production of such improved flat screens, according to the invention, for the thermal treatment of the surface of a planar substrate, or substrate surface for short, by means of a laser, preferably an excimer laser for generating a pulsed laser beam directed onto the substrate surface, preferably with waves in the ultraviolet spectral range at the location of the substrate surface in each case has a homogeneously illuminated laser beam cross section, wherein the surface substrate is moved along at least a first spatial axis and wherein the laser beam regardless of the movement of the surface substrate along the first and along a, to the first spatial axis orthogonally oriented second spatial axis, the is aligned parallel to the substrate surface is deflected, is characterized in such a way that the laser beam relative to each laser pulse at least under the conditions of two Auslenkkritierien is spatially positioned relative to the substrate surface such that, on the one hand, at least one contiguous region of the substrate surface is irradiated by a multiplicity m, with m> 1 individual laser pulses across the surface and without mutual overlapping of the laser beam cross sections assigned to the m laser pulses. On the other hand, the contiguous substrate surface area is irradiated at least in a sub-area n times, with n ≥ 2, repeatedly using the above deflection criterion to form superimposed, so-called n-type irradiation layers, wherein laser beam cross sections incident on the substrate surface, each associated with different irradiation layers are not completely overlapping. What is essential here is that a spatial positioning of two temporally successive laser pulses with respect to their spatial position within an irradiation layer and / or with respect to their affiliation with one irradiation layer stochastically, that is to say with respect to their spatial location. H. is made irregularly.
In Abkehr von der bisherigen Praxis, bei der die zu bestrahlende Substratoberfläche mit einer Vielzahl einzelner Laserpulse, die in einer regelmäßig geometrischen Abfolge letztlich zur ganzflächigen einmaligen Bestrahlung jeweils taktweise positioniert werden, wird das lösungsgemäße Verfahren unter der Maxime durchgeführt, die Kristallisation der gesamten Substratoberfläche unter Zugrundelegung eines stochastischen bzw. unregelmäßigen geometrischen und zeitlichen Bestrahlungsmusters vorzunehmen, um jegliche sich möglicherweise geometrisch ausbildenden und optisch in Erscheinung tretenden Ordnungsmuster innerhalb der sich auskristallisierenden Substratoberfläche zu vermeiden.In departure from the previous practice, in which the substrate surface to be irradiated with a plurality of individual laser pulses, which are positioned in a regular geometric sequence ultimately for whole-surface single irradiation each cyclically, the method according to the solution is carried out under the maxim, the crystallization of the entire substrate surface under On the basis of a stochastic or irregular geometrical and temporal irradiation pattern, in order to avoid any possibly geometrically forming and optically appearing order patterns within the crystallizing substrate surface.
Bereits durch eine stochastisch räumlich verteilte Belichtung der Substratoberfläche im Rahmen nur eines einzigen Bestrahlungslayers können lasersystembedingte Schwankungen in der Lichtleistung, die zwar minimal bis weitgehend vernachlässigbar sind, aber dennoch unter Umständen zu einem sichtbaren Mura-Effekt führen, sofern die Substratoberfläche in der bisher üblichen ELA-Verfahrenstechnik mit geometrisch regelmäßiger Strahlführung belichtet würde, ausgeglichen werden. Durch eine unregelmäßige geometrische Belichtungsabfolge, mit der die Maskenbilder auf die Substratoberfläche projiziert werden, werden zusammenhängende, belichtete Substratoberflächenbereiche beispielsweise mit geringerer Belichtungsintensität und einem damit verbundenen geringeren Durchschmelzungsgrad des amorphen Siliziums, ausgeschlossen. Die lösungsgemäße Idee geht jedoch weit über die lediglich längs eines einzigen Bestrahlungslayer stochastisch räumlich verteilte Bestrahlungsabfolge der einzeln auf die Substratoberfläche projizierten Maskenabbilder hinaus und schlägt vor, die Substratoberfläche mehrfach, d. h. bis zu n-fach, beispielsweise bis n = 30 Bestrahlungslayer und mehr zu belichten, wobei sich die einzelnen, auf die Substratoberfläche projizierten Laserstrahlquerschnitte aus jeweils unterschiedlichen Bestrahlungslayern nicht vollständig überlappen. Hinzu kommt, dass der auf die Substratoberfläche abgebildete Laserstrahl pro Laserpuls Bestrahlungspositionen einnimmt, die in der Schussabfolge willkürlich einzelnen Bestrahlungslayern zuordenbar sind, d. h. die Substratoberfläche wird gerade nicht durch eine sequentielle Abfolge einzelner Bestrahlungslayer n = 1 bis beispielsweise n = 20 schichtweise belichtet, vielmehr erfolgt die Belichtung der Substratoberfläche durch willkürliche mosaikartige Zusammensetzung sämtlicher m der jeweils in den n Bestrahlungslayern zuordenbaren Laserstrahlquerschnitten. Auf diese Weise lassen sich systembedingte Strahlinhomogenitäten, die sich in der durch die Belichtung einhergehenden Kristallisation der Substratoberfläche durch eine mögliche charakterisierende Regelmäßigkeit widerspiegeln könnten, vollständig unterbinden.Already by a stochastically spatially distributed exposure of the substrate surface in the context of only a single irradiation layer can laser system-induced fluctuations in light output, although minimal to largely negligible, but may lead to a visible Mura effect, if the substrate surface in the usual ELA -Verfahrenstechnik with geometrically regular beam guidance would be exposed, be compensated. An irregular geometrical exposure sequence, with which the mask images are projected onto the substrate surface, excludes coherent, exposed substrate surface areas, for example, with lower exposure intensity and a concomitant lower degree of fusing of the amorphous silicon. However, the solution according to the invention goes far beyond the stochastically spatially distributed irradiation sequence of the mask images individually projected onto the substrate surface along a single irradiation layer and proposes that the substrate surface be repeatedly, ie. H. up to n-fold, for example up to n = 30 irradiation layer and more to expose, with the individual, projected onto the substrate surface laser beam cross sections from each different irradiation layers do not overlap completely. In addition, the laser beam imaged onto the substrate surface occupies irradiation positions per laser pulse which can be arbitrarily assigned to individual irradiation layers in the sequence of shots, ie. H. the substrate surface is currently not exposed in layers by a sequential sequence of individual irradiation layers n = 1 to, for example, n = 20; instead, the exposure of the substrate surface is effected by arbitrary mosaic-like composition of all m of the respective laser beam cross sections assignable in the n irradiation layers. In this way, system-induced beam inhomogeneities, which could be reflected in the crystallization of the substrate surface accompanying the exposure by a possible characterizing regularity, can be completely prevented.
Als besonders vorteilhafte Maßnahme bei der Unterdrückung des bezeichneten Mura-Effektes ist zudem die Verwendung eines Laserstrahlquerschnittes in Form eines Hexagons oder eines Rhombus oder einer ähnlichen Geometrieform, die bei vielfacher lateraler Aneinanderfügung längs jeweils ihrer Begrenzungslinien ein durch die Begrenzungslinien bedingtes, orthogonales Linienmuster, das vom menschlichen Auge bevorzugt wahrgenommen kann, vermeidet.As a particularly advantageous measure in the suppression of the designated Mura effect is also the use of a laser beam cross-section in the form of a hexagon or a rhombus or a similar geometry shape that at multiple lateral joining along each of their boundary lines avoids an orthogonal line pattern caused by the boundary lines, which is preferably perceived by the human eye.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability
In
Zur weiteren Veranschaulichung des lösungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens sei auf
Die in
Zur exakten Positionierung jedes einzelnen Hexagons
Um ein flächendeckend und gleichmäßig verteiltes Kristallwachstum durch die jeweils lokale Bestrahlung der Substratoberfläche
Zur lösungsgemäßen Beleuchtung bzw. Bestrahlung der Substratoberfläche
Das in
Zur Vermeidung jeglicher, sich möglicherweise geometrisch regelmäßig ausbildenden Raumstrukturen, die letztlich im Endprodukt auf der Displayoberfläche eines Flachbildschirmes als Mura-Effekte in störender Weise optisch in Erscheinung treten, wird die Laserstrahlführung zur Realisierung eines in
Auch in diesem Fall gilt die Forderung, dass das durch die von der Vielzahl einzelner Laserschüsse bestrahlte Substratoberfläche
Die Strahlungsintensität jedes einzelnen Bestrahlungsereignisses durch die Deposition der Lichtenergie eines Laserpulses auf einer durch die Maske vorgegebenen hexagonalen Fläche ist sowie auch die Anzahl der übereinander durchzuführenden Belichtungsschritte ist in Abhängigkeit von der gewünschten Korngröße des polykristallin auskristallisierten Siliziums vorzunehmen. Wie eingangs erläutert ist es wünschenswert möglichst große Körner zu generieren, ähnlich der Korngröße im einkristallinen Silizium. In praktischen Anwendungsfällen werden hierzu 20 bis 40 übereinander durchzuführende Belichtungsschritte realisiert um eine möglichst hochqualitative Polysiliziumstruktur zu erhalten. Hierbei wird jedoch die Substratoberfläche bzw. die amorphe Siliziumschicht, die es in eine Polysiliziumschicht umzuwandeln gilt, mit jedem einzelnen Laserpuls nicht vollständig durchschmolzen, sondern nur teilweise angeschmolzen. Erst durch eine vollständige, n-fach überlagerte Vielfachbestrahlung und damit wiederholtes Anschmelzen und Re-kristallisieren wird eine endgültige gewünschte Polysiliziumkristallschicht erzielt.The radiation intensity of each individual irradiation event due to the deposition of the light energy of a laser pulse on a hexagonal surface defined by the mask, as well as the number of exposure steps to be performed one above the other, is to be made dependent on the desired grain size of the polycrystalline crystallized silicon. As explained above, it is desirable to generate the largest possible grains, similar to the grain size in monocrystalline silicon. In practical applications, 20 to 40 exposure steps to be carried out one above the other are realized in order to obtain the highest possible polysilicon structure. In this case, however, the substrate surface or the amorphous silicon layer, which is considered to be converted into a polysilicon layer, not completely melted with each individual laser pulse, but only partially melted. Only by a complete, n-times superimposed multiple irradiation and thus repeated melting and re-crystallizing a final desired polysilicon crystal layer is achieved.
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Laserlaser
- 22
- optische Umlenkeinheitoptical deflection unit
- 33
- Strahlformer/HomogenisiererBeamformer / homogenizer
- 44
- Maskemask
- 55
- StrahlablenkeinheitBeam deflection unit
- 66
- optische Abbildungseinheit, F-Theta-Linsenanordnungoptical imaging unit, F-theta lens array
- 77
- Substratoberflächesubstrate surface
- 88th
- x-y-Stelltischx-y positioning table
- 99
- Substratsubstratum
- 1010
- Aperturbereichaperture range
- 1111
- Hexagonhexagon
- 1212
- Rombusrombus
Claims (9)
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| DE102007025943.5A DE102007025943B4 (en) | 2007-06-04 | 2007-06-04 | Process for the thermal treatment of a substrate surface by means of laser light |
Applications Claiming Priority (1)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Mariucci, L. et al.: Advanced excimer laser crystallization techniques, In: Thin Solid Films, ISSN 0040-6090.2001, Vol. 383, S. 39-44 * |
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|---|---|---|---|
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| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |