DE102009050680A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl Download PDF

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht zumindest an dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht ein Normaldruckplasma in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl beleuchteten Halbleiterschicht und/oder mit dem Laserstrahl in Wechselwirkung tritt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird.
  • Durch Beleuchten einer amorphen Halbleiterschicht mit Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge und Strahlungsleistung wird zumindest ein Teil der Strahlungsenergie vom Halbleitermaterial absorbiert und in Wärme umgesetzt, durch die das Halbleitermaterial lokal in Schmelze überführt wird. Aufgrund des typischerweise pulsartig vorgenommenen Strahlungseintrages auf einen lokal begrenzten Flächenbereich der Halbleiterschicht stellt sich beim Wiedererkalten des aufgeschmolzenen Halbleitermaterials ein Kristallisationsprozess ein, der zur Umwandlung der ursprünglich amorphen in eine polykristalline Halbleiterstruktur führt. Ein derartiger thermisch induzierter Kristallisationsprozess, der auch als Annealingprozess bezeichnet wird, wird bei der Herstellung von auf polykristallinem Silizium basierenden technischen Baueinheiten, wie bspw. TFT-Dünnfilm-Transistoren o. ä., angewandt.
  • 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 mit dem so genannten LTPS-Verfahren (Low Temperature Polysilicon Technology) durch 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. Insbesondere die Herstellung von hochauflösenden Displays mit einer hohen Dichte von Pixeln pro Zoll (ppi) erfordert die Verwendung von Dünnschichtttransistoren auf der Basis von polykristallinem Silizium.
  • Stand der Technik
  • Für eine möglichst effiziente und kostengünstige Herstellung von Displays im industriellen Maßstab ist es erforderlich, den Kristallisationsvorgang des amorphen Siliziums auf einer möglichst großen Fläche gleichzeitig mit möglichst geringem Energieeintrag insgesamt und minimiertem Energieeintrag in das Flächensubstrat aus Glas oder Kunststoff zu realisieren. Aus diesem Grund werden für das Aufschmelzen der amorphen Schicht bevorzugt Excimer-Laser eingesetzt. Diese Laser stellen neben der benötigten Wellenlänge im UV-Spektralbereich und einem ausgezeichneten Wirkungsgrad eine hohe Pulsenergie zur Verfügung, die für einen effizienten Prozess notwendig ist. Neben der Verwendung von UV-Lasern werden im Entwicklungsstadium auch Laser anderer Wellenlängen, bspw. 527, 532 nm, eingesetzt.
  • Grundsätzlich haben sich bei der Verwendung von Excimer-Lasern einige Bearbeitungsverfahren herauskristallisiert, mit denen das amorphe Silizium so umgewandelt werden kann, dass eine hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleistet werden kann. Neben der Feldeffektbeweglichkeit ist die Homogenität der Schichteigenschaften verteilt über das Flächensubstrat eine entscheidende Eigenschaft für qualitativ hochwertige Displays.
  • Bei dem so genannten ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing), das beispielsweise in der US 2006/0035103 A1 beschrieben ist, wird ein homogenisierter und zu einer Linie geformter Laserstrahl gepulst mit bis zu 600 Hz über das mit amorphem Silizium beschichtete Substrat geführt. Der Laserstrahl wird an der Oberfläche der nur 50 bis 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne das Substrat aufzuheizen und somit zu beschädigen. Beim dem ELA-Verfahren wird das nahezu rechteckige Strahlprofil des Excimer-Lasers in eine stabile homogene Linie mit einer Länge von bis zu 465 mm und einer Breite von nur 0,4 mm umgewandelt. Die Energiedichte für diesen Prozess liegt zwischen 350 mJ/cm2 bis 400 mJ/cm2. Bei diesem Verfahren wird die Schicht aus amorphem Silizium jedoch nicht vollständig durchgeschmolzen. Das Kristallwachstum beginnt an der Phasengrenze der fest bleibenden unteren Siliziumschicht und setzt sich in Richtung der oberen aufgeschmolzenen Siliziumschicht fort.
  • Grundsätzlich hat sich dieses Verfahren für die Herstellung von polykristallinen Siliziumschichten für Bildschirme bestens bewährt. Insbesondere die industrielle Herstellung von AM-OLED Displays ist nach heutigem Stand der Technik nur auf LTPS-Flächensubstraten möglich. Die Herstellung von LTPS Bildschirmen mit einer Bildschirmdiagonalen größer 42 Zoll sowie auch die weitere Kostenoptimierung des Fertigungsprozesses verlangen jedoch nach einem vergrößerten Strahlquerschnitt auf dem Substrat. Die Herstellung von 50 Zoll TV Substraten verlangt zum Beispiel nach einer 650 mm bis 750 mm langen Linie.
  • Um den Annealingprozess mit einem derart aufgeweiteten rechteckigen Strahlprofil in gleicher Weise durchzuführen zu können, wie dies bei den vorstehend beschriebenen Strahlprofilen mit einer Länge von bis zu 465 mm der Fall ist, gilt es, um die Energiedichte des Laserstrahls nicht zu mindern, die Linienbreite des Strahlprofils entsprechend zu verkleinern. Dies setzt jedoch eine weitaus aufwändigere und kostspieligere Abbildungsoptik voraus, verglichen zu den bereits im Einsatz befindlichen Optiksystemen. Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung des linienartigen Strahlquerschnittes ohne Verringerung der für einen erfolgreichen Annealingprozess erforderlichen Energiedichte, besteht in der Verwendung einer leistungsstärkeren Laserlichtquelle, eine Maßnahme, die gleichsam der Verwendung eines aufwändigeren Optiksystems zu einer deutlichen Erhöhung der Anschaffungs- sowie auch Betriebskosten entsprechender Annealinganlagen beiträgt.
  • In Verbindung mit der Durchführung von laserunterstützten Kristallisationsprozessen ist der US 2006/0024442 A1 , siehe insbesondere die Absätze [0039 bis 0045], zu entnehmen, dass die Größe der sich während der Kristallisation ausbildenden Kristallkörner durch kontrollierten Eintrag von Strahlungsenergie sowie einer damit verbundenen kontrollierbaren Temperaturverteilung innerhalb der vom Laserstrahl beaufschlagten Halbleiterschicht beeinflusst werden kann. Um eine möglichst hohe Feldeffektbeweglichkeit freier Ladungsträger innerhalb der sich ausbildenden polykristallinen Halbeiterschichtbereichen zu begünstigen, gilt es, die Prozessparameter beim Annealingprozeß gerade so zu wählen, dass sich im Wege der Kristallisation möglichst große Korngrößen, die homogen über das Flächensubstrat verteilt sind, herausbilden. Allerdings bilden sich auch Fehlstellen innerhalb der Kristallstruktur aus, beispielsweise in Form von Kristalllücken oder nicht abgesättigten Kristallbindungen, so genannten „dangling bonds”, durch die die Feldeffektbeweglichkeit freier Ladungsträger herabgesetzt wird. Zur Beseitigung bzw. Minimierung derartiger Fehlstellen innerhalb der sich ausbildenden Kristallstruktur bedient man sich eines Wasserstoffplasmas, das während des Annealingprozesses oder im Anschluss daran mit der belichteten Halbleiterschichtoberfläche in Wechselwirkung gebracht wird und das eine auf die sich ausbildenden Fehlstellen passivierende Wirkung entfaltet. Ein aus Wasserstoffgas erzeugtes Wasserstoffplasma enthält freie Radikale und somit ungebundene Elektronen, die sich mit den nicht abgesättigten Kristallbindungen an den Fehlstellen innerhalb der Kristallstruktur verbinden.
  • Aus der DE 693 27 559 T2 ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung eines aus Polysilizium bestehenden Films zu entnehmen. In einem ersten Schritt wird durch Aufpolieren von Siliziumpulver oder mittels PVD- oder CVD-Abscheidung ein amorpher Siliziumfilm auf eine Substratoberfläche aufgebracht. Zu Zwecken der Kristallisation wird der amorphe Siliziumfilm mittels Laserstrahlung getempert, wobei sich Siliziumkristallkeime mit Korndurchmessern herausbilden, die in etwa der Siliziumfilmdicke entsprechen. Zur kontrollierten Beeinflussung der Dichte- und Größenverteilung der sich ausbildenden Siliziumkristallkörner werden diese einem Ätzprozess in Gegenwart von Wasserstoffradikalen ausgesetzt, die mittels eines ECR(Electron Cyclotron Resonance)-Plasmagerätes erzeugt und in Form eines aus Wasserstoffradikalen bestehenden Stromes auf die zu behandelnde Siliziumschichtoberfläche gerichtet werden.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird, derart weiterzubilden, dass die Effizienz, mit der die Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial zu dessen lokaler Erwärmung und Aufschmelzung wechselwirkt, verbessert werden soll. Insbesondere gilt es nach Möglichkeiten zu suchen, die Strahlungsenergie des Laserstrahls effizienter innerhalb der zu bearbeitenden Halbleiterschicht in thermische Energie umzuwandeln, so dass eine Prozessierung von großflächigen amorphen Halbleiterschichten auch ohne die Notwendigkeit kostenintensiver und aufwendiger Optiksystemen und Hochleistungs-Lasersystemen möglich wird. Auch soll es möglich sein, bereits in Betrieb befindliche Annealinganlagen durch kostengünstige und verfahrenstechnisch einfach zu handhabende Maßnahmen nachzurüsten.
  • Die Lösung der der Aufgabe zugrunde liegenden Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Lösungsgemäß ist erkannt worden, dass eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Umwandlung der Strahlungsenergie des Laserstrahls in Wärmeenergie innerhalb der belichteten Halbleiterschicht dadurch realisiert werden kann, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht zumindest an dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht ein Normaldruckplasma in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl beleuchteten Halbleiterschicht und/oder mit dem Laserstrahl in Wechselwirkung tritt.
  • Im Rahmen umfangreicher Versuche konnte gezeigt werden, dass bei einem Annealingprozess, bei dem zusätzlich zur Laserstrahleinwirkung auf die zu behandelnde Halbleitschichtoberfläche ein mit der Halbleiteroberfläche wechselwirkendes Normaldruckplasma bzw. ein Luftplasma unter Atmosphärendruckbedingungen erzeugt wird, die Effizienz der Strahlungsenergieeinkopplung und Strahlungsenergieumwandlung in Wärmeenergie in die zu kristallisierende amorphe Halbleiterschicht deutlich erhöht werden kann. Das sowohl mit der Laserstrahlung als auch mit der Halbleiterschicht wechselwirkende Normaldruckplasma vermag keine oder zumindest nur vernachlässigbar geringe Degradationserscheinungen an der Halbleiterschicht, beispielsweise in Form von Ätzprozessen, hervorzurufen, da das Normaldruckplasma überwiegend aus ionisierten Gasbestandteilen der Luft besteht. Somit dient das Normaldruckplasma als bloßes Mittel zur Verstärkung der Lichteinkopplung in die amorphe Halbleiterschicht ohne diese in ihrer makroskopischen Beschaffenheit in Bezug auf Schichtdicke und Oberflächenmorphologie zu beeinträchtigen.
  • In Folge der lösungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich die pro Flächeneinheit einzutragende Laserleistung zu verringern ohne dabei den Kristallisationsprozess nachhaltig zu beeinträchtigen. Mit der lösungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, ohne weitere Modifikationen an bisher im Einsatz befindlichen Annealinganlagen den auf die amorphe Halbleiterschicht gerichteten Strahlquerschnitt in der gewünschten Weise zu vergrößern oder die zur Kristallisation notwendige Energiedichte zu verringern. So ermöglicht der lösungsgemäße Einsatz eines Normaldruckplasmas im Rahmen eines Annealingprozesses eine Verlängerung des linienhaften Strahlquerschnittes des die amorphe Halbleiterschicht belichtenden Laserstrahls ohne die Notwendigkeit der Verwendung einer leistungsstärkeren Laserlichtquelle sowie ohne den Einsatz aufwendigerer Optiksysteme. Die Effizienz sowie auch der Durchsatz bei Annealinganlagen kann somit in kostengünstiger Weise gesteigert werden.
  • Die lösungsgemäße Maßnahme ermöglicht auch weiterhin den Betrieb an sich bekannter Annealingprozesse unter Atmosphärendruckbedingungen, so dass auf komplizierte verfahrenstechnische und kostenintensive Evakuierungsmaßnahmen verzichtet werden kann.
  • Als Plasmaquellen dienen an sich bekannte Plasmageneratoren, mit denen unter Atmosphärendruckbedingungen ein Normaldruck- bzw. Luftplasma jeweils am Ort der mit dem Laserstrahl belichteten Halbleiterschichtoberfläche erzeugbar ist.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Normaldruckplasmas sieht die Anordnung wenigstens einer Hochspannung führenden Elektrode vor, die gegenüber der vorzugsweise auf Massepotential befindlichen Halbleiterschicht angeordnet ist. Zwischen Elektrode und Halbleiterschicht bildet sich aufgrund eines vorgebbaren elektrischen Potentialunterschiedes ein elektrisches Feld aus, bei dem es zu einer luftelektrischen Entladung und damit verbunden zu einem im Bereich der vom Laserstrahl beaufschlagten Halbleiterschichtoberfläche sich ausbildenden Luftplasmas kommt.
  • Besonders bevorzugt ist der Einsatz von wenigstens zwei möglichst oberflächennah zur Halbleiterschichtoberfläche angeordneten Elektroden, zwischen denen ein zur Initiierung einer luftelektrischen Entladung eine entsprechend groß gewählte elektrische Spannung anzulegen ist. In allen Fällen ist es zur Vermeidung einer stark inhomogenen Entladung zwischen den Elektroden bzw. zwischen der wenigstens einen Elektrode und der Halbleiterschichtoberfläche vorteilhaft, die Elektrodenoberflächen mit einer Dielektrikumschicht zu ummanteln.
  • Auch eignet sich der Einsatz einer sogenannten Plasmadüse, die beispielsweise aus der DE 195 32 412 A1 zu entnehmen ist, mit der eine Art Plasmafilmströmung erzeugbar ist, die über den vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht gelenkt werden kann.
  • Unabhängig von der Art der Erzeugung des Normaldruckplasmas hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Normaldruckplasma möglichst dünnschichtig über dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich auszubilden, um auf diese Weise verlustbehaftete optische Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem Plasma möglichst gering zu halten. Da der Laserstrahl den Raumbereich des Normaldruckplasmas typischerweise in einer Richtung orthogonal zur Halbleiterschichtoberfläche längs der Plasmaschichtdicke durchdringt, sollte diese so bemessen sein, dass optische Energieverluste des Laserstrahls bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem Normaldruckplasma kleiner als 1% sind.
  • Auch sollte die sich innerhalb des Normaldruckplasmas ausbildende Elektronendichte so gewählt sein, dass sie viel kleiner ist als die sogenannte Cut-off-Dichte für die eingesetzte Laserwellenlänge. Zudem gilt es die vom Laserstrahl zu passierende maximale Plasmaschichtdicke unter Beachtung einer möglichen Absorption der Laserstrahlung im Plasma durch inverse Bremsstrahlung entsprechend zu wählen, so dass eine durch die inverse Bremsstrahlung verursachte Absorption der Laserstrahlung innerhalb des Plasmas kleiner als 1% ist. Wie die weitere Beschreibung unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele zeigen wird, eignen sich Normaldruckplasmen mit maximalen Plasmaschichtdicken von 5 mm.
  • 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 Annealingganlage mit Plasmagenerator in Form einer Plasmadüse,
  • 2 Annealinganlage mit einer Elektrode zur Erzeugung eines Normaldruckplasmas, sowie
  • 3 Annealinganlage mit einem Elektrodenpaar zur Erzeugung eines Normaldruckplasmas
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Annealinganlage, mit der eine auf einem Substrat 4 aufgebrachte amorphe Halbleiterschicht 3, vorzugsweise eine dünne amorphe Siliziumschicht, mit einem Laserstrahl L kristallisiert wird. Hierzu ist als Laserlichtquelle 1 vorzugsweise ein Excimerlaser vorgesehen, mit dem Laserstrahlung mit Wellenlängen vorzugsweise von 248, 308 oder 351 nm erzeugbar ist. Auch ist der Einsatz von Festkörperlasern möglich und denkbar, die Wellenlängen vorzugsweise zwischen 527 und 532 nm emittieren. Auch ist der direkte Einsatz von Hochleistungslaserdioden mit Emissionswellenlängen größer 800 nm vorstellbar.
  • Der vorzugsweise gepulste Laserstrahl L wird zu Zwecken der Strahlformung und -führung in ein Optiksystem 2 eingekoppelt, in dem der Laserstrahl insbesondere eine Strahlhomogenisierung sowie auch Strahlformung für die Ausbildung eines linienhaften Strahlquerschnittes erfährt. Nach Austritt des Optikmoduls 2 wird der Laserstrahl L auf die Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht 3 unter Ausbildung eines linienhaften Beleuchtungsfeldes, vorzugsweise mit einer Linienlänge von 650 mm und einer Linienbreite von etwa 0,4 mm abgebildet.
  • Der gepulst betriebene Laser 1 erzeugt Laserpulse L, die relativ zur amorphen Halbleiterschicht 3 nach jedem einzelnen Puls lateral versetzt abgebildet werden. Dies kann entweder durch eine Ablenkung des Laserstrahls L relativ zum räumlich ruhenden Substrat 4 oder durch eine räumliche Auslenkung des Substrats 4, das auf einem X/Y-Verstelltisch aufgebracht ist, relativ zu dem ansonsten räumlich feststehenden Laserstrahl L erfolgen. Auch ist es denkbar, beide vorstehend beschriebenen Freiheitsgrade miteinander zu kombinieren, so dass gewährleistet ist, dass möglichst die gesamte Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 3 in Rastertechnik von dem Laserstrahl L belichtet wird. Alternativ ist auch die Verwendung eines kontinuierlich arbeitenden Lasers möglich. In diesem Fall muss die Geschwindigkeit der Bewegung des X/Y-Verstelltisches entsprechend hoch sein, um die Einwirkzeit pro Flächeneinheit gering zu halten und damit Substratschäden vorzubeugen.
  • Am Ort des jeweils auf die amorphe Halbleiterschicht 3 abgebildeten Laserstrahls L wird lösungsgemäß ein Normaldruckplasma 6 erzeugt, in dem ionisierte Gasanteile der Luft enthalten sind. In 1 sei angenommen, dass zur Herstellung des Normaldruckplasmas 6 eine Plasmadüsenanordnung 5 eingesetzt wird, die eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht anliegende Plasmafilmströmung zu erzeugen vermag. Die Schichtdicke d der Plasmafilmströmung sollte nicht größer als 5 mm sein, um verlustbehaftete Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl L und dem Normaldruckplasma zu vermeiden.
  • In 2 ist eine Annealinganlage dargestellt, die aus den bereits beschriebenen Komponenten 1 bis 4 besteht. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Plasma 6 im Wege einer direkten Entladung in Luft gegen das auf Massepotential liegende Substrat 4 und der darauf befindlichen Halbleiterschicht 3 erzeugt. Hierbei ist in einem geringen Abstand, vorzugsweise maximal 7 mm von der Oberfläche der Halbleiterschicht 3, eine vorzugsweise mit einem Dielektrikum D umgebende Elektrode 7 angeordnet, die mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden ist.
  • Eine weitere alternative Ausführungsform zur Erzeugung des Normaldruckplasmas 6 ist in 3 dargestellt. Hier sind zwei Elektroden 7 oberflächennah relativ zur Oberfläche der Halbleiterschicht 3 angebracht. Nicht notwendigerweise müssen in diesem Fall das Substrat 4 und die darauf befindliche Halbleiterschicht 3 geerdet sein. Da die einzelnen Elektroden 7 jeweils von einer Dielektrikumschicht D umgeben sind, können die Elektroden 7 zur besseren Handhabung auch direkt auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 3 aufliegen, um auf diese Weise eine möglichst oberflächennahe und dünnschichtige Ausbildung eines Normaldruckplasmas 6 zu ermöglichen. Im Falle der 3 passiert der Laserstrahl L das Normaldruckplasma 6 zwischen den beiden Elektroden 7.
  • Das lösungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich unabhängig von dem jeweiligen Kristallisationsregime innerhalb der Halbleiterschicht 3 eingesetzt werden, d. h. es können sowohl Annealingverfahren eingesetzt werden, bei denen das Substrat nur teilweise aufgeschmolzen wird, wie dies bei dem eingangs beschriebenen ELA-Verfahren der Fall ist. Gleichfalls ist jedoch auch die Anwendung des sogenannten (Line-Scan-)SLS-Verfahrens (Sequential Lateral Solidification) möglich, bei dem der Laserstrahl die gesamte Schichttiefe der amorphen Halbleiterschicht aufzuschmelzen vermag, und eine Verfestigung jeweils von Seiten seitlicher Begrenzungswandabschnitte erfolgt.
  • In vielen Kristallisationsregimen ist darüber hinaus die Verwendung von sogenannten langen Laserpulsen, d. h. Laserpulse mit Pulsdauern größer 50 ns vorteilhaft, um die Zeitdauer, während der das Halbleitermaterial in Schmelze vorliegt, zu verlängern, wodurch gleichzeitig die Tendenz zur Ausbildung größerer Kristallisationskörner begünstigt wird. Auch in diesem Fall wirkt sich die kombinatorische Anwendung sowohl von Laserstrahlung als auch von Normaldruckplasma auf eine Reduzierung der für den Kristallisationsprozess erforderlichen Laserpulsenergie bzw. eine entsprechende Vergrößerung der zu bearbeitenden Fläche der zu belichtenden Halbleiterschichtoberfläche positiv aus.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laser
    2
    Optiksystem zur Strahlformung und -führung
    3
    Halbleiterschicht
    4
    Substrat
    5
    Plasmadüsenanordnung
    6
    Normaldruckplasma
    7
    Elektrode
    d
    Plasmaschichtdicke
    D
    Dielektrikum
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Claims (20)

  1. Verfahren zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht (3) mit einem Laserstrahl (L), der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht (3) zumindest an dem vom Laserstrahl (L) beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) ein Normaldruckplasma (6) in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl (L) beleuchteten Halbleiterschicht (3) und/oder mit dem Laserstrahl (L) in Wechselwirkung tritt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Laserstrahl (L) beleuchtete Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) von Luft umgeben wird, so dass sich als Normaldruckplasma ein Luftplasma unter atmosphärischen Umgebungsdruckbedingungen ausbildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer maximalen Plasmaschichtdicke (d), bei der optische Energieverluste des Laserstrahls (L) bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl (L) und dem Normaldruckplasma (6) von kleiner 1% auftreten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer Elektronendichte, die sehr viel kleiner ist als die cut-off-Dichte für die entsprechende Laserwellenlänge.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer maximalen Plasmaschichtdicke, bei der die Absorption der Laserstrahlung im Plasma durch inverse Bremsstrahlung kleiner als 1% ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als maximale Plasmaschichtdicke 5 mm gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) gepulst betrieben wird und nach wenigstens einem Laserpuls relativ zur Halbleiterschicht (3) lateral zur Halbleiterschichtoberfläche versetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschicht (3) amorphes Silizium verwendet wird, das mit einem im Strahlquerschnitt homogenisierten Laserstrahl (L) beleuchtet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der im Strahlquerschnitt homogenisierte Laserstrahl (L) eine Wellenlänge im UV-Spektralbereich, vorzugsweise 248 nm, 308 nm, 351 nm, im sichtbaren Spektralbereich, vorzugsweise 527 bis 532 nm, oder im IR-Spektralbereich aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) mittels einer relativ zur Halbleiterschicht (3) oberflächennah angebrachten Elektrodenanordnung erzeugt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) mittels einer Plasmadüsenanordnung (5) erzeugt wird, die eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) anliegende Plasmafilmströmung generiert.
  12. Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht (3) mit einem Laser (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls (L), der zumindest über eine den Laserstrahl (L) homogenisierende Einheit verfügende Strahlablenkungseinheit (2) zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur oberflächennahen Bereitstellung eines Normaldruckplasmas (6) derart vorgesehen ist, dass das Normaldruckplasma (6) zumindest den laserbestrahlten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) in Art einer Plasmaschicht vollumfänglich überdeckt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bereitstellung des Normaldruckplasmas (6) wenigstens eine Elektrode (7) vorsieht, die in einem Abstand von maximal 7 mm gegenüber dem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (7) mit einem gegenseitigen Elektrodenabstand von maximal 7 mm gegenüber dem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7) klingenartig ausgebildet sind.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (7) dielektrisch isoliert ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) zwischen den Elektroden (7) eingekoppelt wird.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bereitstellung des Normaldruckplasmas eine Plasmadüsenanordnung (5) ist, die derart gegenüber der Halbleiterschicht (3) angeordnet ist, dass eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht anliegende Plasmafilmströmung generierbar ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (3) auf einem Substrat (4) aufgebracht ist, das auf einem x-y-Verstelltisch aufliegt, so dass die Halbleiterschicht (3) relativ zum ortsfesten Laserstrahl (L) sowie der ortsfesten Einheit zur Bereitstellung des Normaldruckplasmas (6) bewegbar ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl und/oder das Plasma linienförmig ausgebildet sind.
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