DE102019112141A1 - Verfahren und optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren sowie ein optisches System zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht offenbart, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:- Bereitstellen eines ersten Laserstrahls (74) mit einem ersten Laserpuls (76) und eines zweiten Laserstrahls (84) mit einem zweiten Laserpuls (86),- Umformen des ersten Laserpulses (76) und des zweiten Laserpulses (86), anhand einer Strahlformungseinrichtung, in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform,- Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand einer Abbildungseinrichtung, als eine Beleuchtungslinie mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht,wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist- Einstellen einer Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses (76) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36),- Einstellen einer Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses (86) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie, und- zeitliches Verzögern des zweiten Laserpulses (86) bezüglich des ersten Laserpulses (76) um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (M1) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist.

Description

  • Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, und ein optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht.
  • Für die Kristallisation von Dünnfilmschichten beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistor, kurz: TFT) werden Laser eingesetzt. Als zu bearbeitender Halbleiter kommt insbesondere Silizium (kurz: Si), genauer amorphes Silizium (kurz: a-Si) zum Einsatz. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt beispielsweise 50 nm, welche sich typischerweise auf einem Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat, oder auf einem sonstigen Träger befindet.
  • Die Schicht wird mit dem Licht des Lasers, beispielsweise eines gepulsten Festkörperlasers, beleuchtet. Dabei wird das Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm zu einer Beleuchtungslinie geformt und auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie weist eine kurze (schmale) Achse und eine homogene lange Strahlachse auf. Die kurze oder schmale Achse weist eine gaußförmige oder eine flache Intensitätsverteilung auf.
  • Die Beleuchtungslinie wird mit einem Vorschub von typischerweise ca. 5 bis 50 mm/s in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt. Die Leistungsdichte (im Fall von Dauerstrichlasern) oder die Pulsenergiedichte (im Fall von gepulsten Lasern) des Lichtstrahls wird derart eingestellt, dass beispielsweise im Fall von amorphem Silizium dieses teilweise aufschmilzt und das aufgeschmolzene Silizium sich anschließend in einer polykristallinen Struktur ausgehend von nicht aufgeschmolzenem festen Silizium auf dem Glassubstrat verfestigt. Das Aufschmelzen und Verfestigen läuft typischerweise auf einer Zeitskala von 10 bis 100 ns ab und die sich anschließende Abkühlung des Films auf Raumtemperatur dauert typischerweise mehrere 100 µs.
  • Bei der Bestrahlung und Umwandlung der Schicht aus amorphem Silizium in eine Schicht aus polykristallinem Silizium kommt es besonders auf eine gleichmäßige Intensität der Beleuchtungslinie an, das heißt auf die Homogenität der entlang der kurzen und/oder der langen Achse integrierten, räumlichen Intensitätsverteilung. Je homogener bzw. gleichmäßiger die Intensitätsverteilung der Beleuchtungslinie ist, desto homogener bzw. gleichmäßiger ist die Kristallstruktur der Dünnfilmschicht (beispielsweise die Korngröße der polykristallinen Schicht), und desto besser sind beispielsweise die elektrischen Eigenschaften des aus der Dünnfilmschicht gebildeten Endprodukts, beispielsweise des Dünnfilmtransistors. Eine homogene Kristallstruktur bewirkt beispielsweise eine hohe Leitfähigkeit aufgrund einer hohen Mobilität der Elektronen und positiven Ladungslöcher.
  • Inhomogenitäten können insbesondere entlang der langen Strahlachse sowie senkrecht dazu entlang der kurzen Strahlachse auftreten, wenn die Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt wird. Diese Inhomogenitäten werden „Mura“ genannt. Sogenannte „Scan-Mura“ haben ihren Ursprung in Inhomogenitäten entlang der Strahlachse und treten auf als in Scanrichtung oder in Vorschubrichtung verlaufende streifenförmige Inhomogenitäten. Senkrecht dazu treten sogenannte „Shot-Mura“ auf, die auf Schwankungen der Intensität Puls zu Puls zurückzuführen sind.
  • Um die „Shot-Mura“ so klein wie möglich zu machen, sollte die Energieschwankung von Laserpuls zu Laserpuls so klein wie möglich sein. Um die „Scan-Mura“ so klein wie möglich zu machen, sollte die Intensität der Beleuchtungslinie entlang der langen Achse möglichst homogen sein. Es ist ferner bekannt, „Scan-Mura“ zu reduzieren, indem die Beleuchtungslinie während des Scannens mit Hilfe eines um eine Drehachse vibrierenden Spiegels mit Frequenzen von 10 Hz bis 200 Hz um 1 mm bis 2 mm in Richtung der langen Achse hin- und hergeschoben wird, um so eventuelle Inhomogenitäten entlang der langen Achse zu „verschmieren“.
  • Weiterhin bekannt sind sogenannte „Stickstoff-Mura“, die darauf zurückführen sind, dass während der Bestrahlung die Substratbelichtungsfläche, also die Oberfläche der zu bearbeitenden Materialschicht, beispielsweise der Halbleiterschicht, mit Stickstoff gespült wird, um dort die Sauerstoffkonzentration auf Werte zwischen 10 ppm und 20 ppm zu reduzieren und so eine Oxidation des Materials, wie beispielsweise Silizium, zu verhindern. Dazu wird ein laminarer Stickstoffstrom unmittelbar über der zu belichtenden Materialschicht geführt. Dabei können Inhomogenitäten in der laminaren Strömung zu Inhomogenitäten in der Kristallstruktur, den sogenannten „Stickstoff-Mura“, führen.
  • Um eine regelmäßige polykristalline Kornstruktur bei der Kristallisierung zu erzeugen, ist es bekannt, dass ein Oberflächeninterferenzeffekt ausgenutzt wird, der dazu führt, dass eine modulierte Intensitätsverteilung während der Belichtung entsteht und durch mehrmaliges Belichten während des Vorschubs eine Kornstruktur mit etwa der Größe der Wellenlänge des Lichts verstärkt wird. Dieser Effekt wird „Laser Induced Periodical Pattern Structure“ (kurz: „LIPPS“) genannt. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm ergeben sich so Kornstrukturen von etwa 0,3 µm bis 0,4 µm. Für linear polarisiertes Licht kann sich die modulierte Intensitätsverteilung nur in Richtung der Polarisation ausbilden, also in der Richtung des E-Feld Vektors. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die regelmäßige Struktur entlang der langen Strahlachse sich dann ausbildet, wenn das Licht in der langen Achse polarisiert ist, entsprechend ist der Effekt in Vorschubrichtung beobachtbar, wenn das Licht in Richtung der Vorschubrichtung polarisiert ist.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials bereit, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung gleichmäßig kristallisierter Halbleiterschichten. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine verbesserte Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials bereit, insbesondere eine Vorrichtung zur Herstellung gleichmäßig kristallisierter Halbleiterschichten. Dabei sind gleichmäßig kristallisierte Halbleiterschichten insbesondere Halbleiterschichten mit gleichmäßigen Kristallkorngrößen.
  • Es wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein optisches System mit den Merkmalen von Anspruch 11 bereitgestellt.
  • Es wird ein Verfahren zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, offenbart, das die folgenden Schritte umfasst:
    • - Bereitstellen eines ersten Laserstrahls mit einem ersten Laserpuls und eines zweiten Laserstrahls mit einem zweiten Laserpuls,
    • - Umformen des ersten Laserpulses und des zweiten Laserpulses, anhand einer Strahlformungseinrichtung, in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform,
    • - Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand einer Abbildungseinrichtung, als eine Beleuchtungslinie mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht,
    • - Einstellen einer Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie,
    • - Einstellen einer Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie, und
    • - zeitliches Verzögern des zweiten Laserpulses bezüglich des ersten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist.
  • Dabei gibt die oben angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte keine zeitliche Reihenfolge wieder, in der die Schritte ausgeführt werden. Typischerweise findet beispielsweise die Einstellung der Polarisationsrichtung im Strahlengang dort statt, wo die Einzelstrahlen, also der erste und zweite Laserstrahl, getrennt sind. Die Umformung, Homogenisierung und Überlagerung der Einzelstrahlen findet notwendigerweise nach dem Bereitstellen des ersten und zweiten Laserstrahls statt. Der Schritt des zeitlichen Verzögerns kann vor oder nach der Ausrichtung der Polarisation des ersten und zweiten Laserstrahls erfolgen. Die zeitliche Reihenfolge der angegebenen Schritte kann prinzipiell aber auch anders sein.
  • Das zu bearbeitende Halbleitermaterial kann beispielsweise eine dünne Schicht mit einer Dicke von ca. 50 nm aus amorphem Silizium sein, die auf einem Träger, wie beispielsweise einem Glassubstrat, aufgebracht ist.
  • Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl werden von mindestens einem Laser bereitgestellt, wie später noch genauer erläutert wird. Der Laser kann beispielsweise ein UV-Festkörperlaser sein, der Licht mit einer Wellenlänge von 343 nm emittiert. Typische zeitliche Halbwertsbreiten (FWHM, „Full Width at Half Maximum“) des ersten und des zweiten Laserpulses reichen von 15 ns bis 20 ns. Dabei ist der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl typischerweise linear-polarisiert.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Polarisation des ersten und des zweiten Pulses jeweils in einer bestimmten, vordefinierten Richtung eingestellt, beispielsweise anhand einer Polarisationseinrichtung. So wird der erste Laserpuls in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisiert und der zweite Laserpuls wird in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisiert. Der von einem Festkörperlaser emittierte Puls ist typischerweise linear-polarisiert. Ist der emittierte Puls linear-polarisiert, wird gemäß dem offenbarten Verfahren die Polarisationsrichtung des emittierten ersten und zweiten Pulses jeweils in eine vorbestimmte, definierte Richtung gedreht. Dies kann mittels einer Polarisationseinrichtung wie einer λ/2 Platte mit entsprechender Orientierung bezüglich des auf die λ/2 Platte treffenden Strahls bzw. Pulses ausgeführt werden. Speziell wird die Polarisationsrichtung des ersten Pulses in Richtung einer kurzen Achse gedreht, die später noch genauer erläutert wird. Die Polarisation des ersten Pulses wird also in Richtung der kurzen Achse ausgerichtet, und zwar so, dass die Polarisation fast ausschließlich in Richtung der kurzen Achse ausgerichtet ist, beispielsweise so, dass der Anteil an linear-polarisiertem Licht in einer Richtung senkrecht zu der kurzen Achse 1% beträgt (Polarisationsverhältnis 100:1), oder beispielsweise so, dass das Polarisationsverhältnis 95:5 beträgt. Die Polarisationsrichtung des zweiten Pulses wird in Richtung einer langen Achse gedreht, die später auch noch genauer erläutert wird und senkrecht zu der Richtung der kurzen Achse ist. Die Polarisation des zweiten Pulses wird also in Richtung der langen Achse ausgerichtet, und zwar so, dass die Polarisation fast ausschließlich in Richtung der langen Achse ausgerichtet ist, beispielsweise so, dass der Anteil an linear-polarisiertem Licht in einer Richtung senkrecht zu der langen Achse 1% beträgt (Polarisationsverhältnis 100:1), oder beispielsweise so, dass das Polarisationsverhältnis 95:5 beträgt.
  • Des Weiteren wird der zweite Puls bezüglich des ersten Pulses um das vorbestimmte Zeitintervall Δt zeitlich verzögert. Typische zeitliche Verzögerungszeiten belaufen sich auf 5 ns bis 20 ns. Ganz allgemein wird das Zeitintervall Δt so gewählt, dass bei einem Abbilden einer später noch beschriebenen Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht eine zeitliche Überlagerung der beiden Pulse zu einem einzigen Puls gegeben ist. Die zeitliche Überlagerung resultiert in einem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf mit einem ersten Maximum und einem zweiten Maximum.
  • Der erste und der zweite Puls werden anhand einer Strahlformungseinrichtung in einem weiteren Verfahrensschritt zu einer Laserlinie, also einem Laserpuls in Linienform, umgeformt. Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Laserstrahlen in viele Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Die Laserlinie hat eine kurze Achse und eine lange Achse.
  • Die so gebildete Laserlinie wird mittels einer Abbildungseinrichtung als eine Beleuchtungslinie auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie hat ebenfalls eine kurze Achse und eine lange Achse, deren Richtung die Polarisation des ersten und zweiten Pulses vorgeben. Typischerweise fallen die Richtungen der kurzen Achse und der langen Achse der Beleuchtungslinie mit der Richtung der kurzen Achse und der langen Achse des Laserpulses in Linienform zusammen. Die Länge der Beleuchtungslinie, also die geometrische Ausdehnung in Richtung der langen Achse, beträgt typischerweise zwischen 100 mm und 1000 mm sein, beispielsweise 100 mm, 250 mm, 750 mm oder 1000 mm. Sie kann auch länger sein, wenn die Strahlformungseinrichtung und/oder Abbildungseinrichtung entsprechend ausgebildet ist. Die Breite der Beleuchtungslinie, also die geometrische Ausdehnung in Richtung der kurzen Achse, wird bei einer gaußförmigen Verteilung als Halbwertsbreite (FWHM) angegeben und beträgt typischerweise zwischen 20 µm und 200 µm. Bei einer flachen Verteilung wird die Breite an der Stelle gemessen, an der die Intensität 90% beträgt („Full Width 90%“), und beträgt auch typischerweise zwischen 20 µm und 200 µm.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt kann die Beleuchtungslinie relativ zu der Halbleitermaterialschicht in einer Vorschubrichtung bewegt werden. Der erste Puls ist dann in Richtung des Vorschubs linear-polarisiert, da die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse entspricht. Durch das Überstreichen der Halbleitermaterialschicht mit der Beleuchtungslinie kann die gesamte Halbleitermaterialschicht oder zumindest ein größerer Bereich der Halbleitermaterialschicht belichtet und damit bearbeitet werden. Der Träger mit dem Halbleitermaterial kann beispielsweise auf einem in der Vorschubrichtung beweglichen Tisch angeordnet sein und so relativ zu der Beleuchtungslinie bewegbar sein. Typische Vorschubgeschwindigkeiten reichen von 5 mm/s bis 50 mm/s.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die relative Intensität des ersten Laserpulses und des zweiten Laserpulses so gewählt werden, dass das Verhältnis von dem ersten Maximum zu dem zweiten Maximum in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in dem Bereich von 0,8 bis 1,4, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,2 liegt, insbesondere 1,0 ist. Da sich der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf durch Überlagerung des zeitlichen Intensitätsverlaufs des ersten und zweiten Pulses ergibt, kann durch die Intensitäten des ersten und zweiten Pulses, unter Berücksichtigung des Zeitintervalls Δt, das Verhältnis von dem ersten Maximum zu dem zweiten Maximum in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf eingestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass sich in Kombination mit der definierten Polarisationsrichtung des ersten und zweiten Pulses, wie oben beschrieben wurde, für den angegebenen Bereich des Verhältnisses des ersten Maximums zu dem zweiten Maximum besonders homogene Kornstrukturen in der gebildeten (poly)kristallinen Halbleiterschicht ergeben haben.
  • Der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf der Beleuchtungslinie kann eine zeitliche Halbwertsbreite, bezogen auf das erste Maximum des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs, zwischen 40 und 50 ns aufweisen. Durch die relativ lange Pulsdauer wird über mehrere 10ns der Kristallisationsprozess beeinflusst und die Ausbildung gleichmäßiger Kornstrukturen gefördert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt werden ein erster Laser und ein zweiter Laser bereitgestellt, die dazu ausgebildet sind, jeweils den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl zu emittieren, und die so gesteuert werden, dass der zweite Laserpuls um das Zeitintervall Δt verzögert zu dem ersten Laserpuls emittiert wird. Die Verzögerung kann beispielsweise durch elektronisches Verzögern des Triggersignals des zweiten Lasers bezüglich des Triggersignals des ersten Lasers erreicht werden.
  • Alternativ dazu ist es vorgesehen, dass ein erster Laser bereitgestellt wird, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einem Puls bereitzustellen, und dass der Laserstrahl des ersten Lasers in einen ersten Laserstrahlanteil und in einen zweiten Laserstrahlanteil aufgeteilt wird, wobei der erste Laserstrahlanteil den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls bildet und der zweite Laserstrahlanteil den zweiten Laserstrahl mit dem zweiten Laserpuls bildet. Bei dieser Alternative wird also ein Laser bereitgestellt, der im Pulsbetrieb betrieben wird, und dessen emittierter Laserstrahl anhand eines Strahlteilers in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird.
  • Bei dieser Alternative kann die zeitliche Verzögerung des zweiten Pulses bezüglich des ersten Pulses dadurch erreicht werden, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Bildebene des Halbleitermaterials größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahls von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Bildebene des Halbleitermaterials, so dass sich eine Phasenverschiebung des ersten Pulses bezüglich des zweiten Pulses ergibt.
  • Prinzipiell ist es natürlich auch bei der Variante mit zwei Lasern möglich, dass die zeitliche Verzögerung des zweiten Pulses bezüglich des ersten Pulses durch eine größere optische Weglänge des zweiten Pulses bereitgestellt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Laserpuls ein Laserpuls von einer Vielzahl von ersten Laserpulsen des ersten Laserstrahls sein und der zweite Laserpuls ein Laserpuls von einer Vielzahl von zweiten Laserpulsen des zweiten Laserstrahls sein, und wobei jeder der Vielzahl von Laserpulsen des zweiten gepulsten Laserstrahls jeweils zeitlich verzögert bezüglich eines anderen der Vielzahl von Laserpulsen des ersten gepulsten Laserstrahls um das vorbestimmte Zeitintervall Δt ist. Der oder die Laser werden also gepulst betrieben und emittieren eine Vielzahl von Laserpulsen mit einer bestimmten Pulswiederholrate, z.B. 10 kHz. Dabei werden die Laserpulse des zweiten Laserstrahls so zeitlich gegenüber den ersten Laserpulsen verzögert, dass immer ein erster Laserpuls und ein zweiter Laserpuls überlagert als Beleuchtungslinie in der Form eines Pulses mit einem ersten und zweiten Maximum auf dem Halbleitermaterial abgebildet werden. Oder anders ausgedrückt, das Halbleitermaterial wird gepulst mit einer Beleuchtungslinie belichtet, mit der Pulswiederholrate des oder der Laser.
  • Die Vorschubgeschwindigkeit, die Pulswiederholrate des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls und die geometrische Halbwertsbreite der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse kann dabei so gewählt werden, dass eine Stelle des Halbleitermaterials mehrmals von einer Beleuchtungslinie belichtet wird. Oder anders ausgedrückt: Das Halbleitermaterial bewegt sich relativ zu der Beleuchtungslinie so langsam, und die geometrische Halbwertsbreite der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse ist so groß, dass nach einer Zeitdauer, die der Pulswiederholrate des Laserstrahls bzw. einem Vielfachen der Pulswiederholrate entspricht, das Halbleitermaterial sich um so eine kleine Strecke bewegt hat, dass eine davor belichtete Stelle nochmal bzw. vielfach belichtet wird.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt des offenbarten Verfahrens werden ein dritter Laserstrahl mit einem dritten Laserpuls und ein vierter Laserstrahls mit einem vierten Laserpuls bereitgestellt, der erste Laserpuls, der zweite Laserpuls, der dritte Laserpuls und der vierte Laserpuls, anhand einer Strahlformungseinrichtung, in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, und der so geformte Laserpuls in Linienform, anhand der Abbildungseinrichtung, als die Beleuchtungslinie auf einer Bildebene der Halbleitermaterialschicht abgebildet. Ferner wird eine Polarisationsrichtung des dritten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie eingestellt, eine Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie eingestellt, und der vierte Laserpuls bezüglich des dritten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt zeitlich verzögert, wobei das vorbestimmte Zeitintervall Δt so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist.
  • Gemäß diesem Aspekt des Verfahrens werden also vier Laserstrahlen homogen überlagert und abgebildet, wobei jeweils zwei Laserstrahlen der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen und zeitlich synchronisiert sind, und die anderen zwei der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen, die zeitlich verzögert bezüglich der Pulse der ersten zwei Laserstrahlen sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird ein optisches System zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, bereitgestellt, welches umfasst:
    • - eine Strahlformungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Laserpuls eines ersten Laserstrahls und einen zweiten Laserpuls eines zweiten Laserstrahls in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen,
    • - eine Abbildungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abzubilden,
    • - eine Polarisationseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie auszurichten und eine Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie auszurichten, sowie
    • - eine Verzögerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserpuls bezüglich des ersten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist.
  • Die Polarisationseinrichtung ist also so ausgebildet und angeordnet, dass der erste Laserpuls fast ausschließlich Polarisationsanteile in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie enthält (das Polarisationsverhältnis beträgt beispielsweise 1:100), und der zweite Laserpuls fast ausschließlich Polarisationsanteile in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie enthält (das Polarisationsverhältnis beträgt beispielsweise 1:100). Dabei kann die Polarisationseinrichtung eine erste Polarisationseinrichtung für den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls aufweisen, und eine zweite Polarisationseinrichtung für den zweiten Laserstrahl mit dem zweiten Laserpuls. Die erste Polarisationseinrichtung ist dann insbesondere im Strahlengang des ersten Laserstrahls angeordnet und die zweite Polarisationseinrichtung ist insbesondere im Strahlengang des zweiten Laserstrahls angeordnet.
  • Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Laserstrahlen in viele Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Die Laserlinie hat eine kurze Achse und eine lange Achse.
  • Die so gebildete Laserlinie wird mittels einer Abbildungseinrichtung als eine Beleuchtungslinie auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie hat ebenfalls eine kurze Achse und eine lange Achse, deren Richtung die Polarisation des ersten und zweiten Pulses vorgeben. Typischerweise fallen die Richtungen der kurzen Achse und der langen Achse der Beleuchtungslinie mit der Richtung der kurzen Achse und der langen Achse des Laserpulses in Linienform zusammen.
  • Die Polarisationseinrichtung des optischen Systems kann insbesondere eine erste λ/2 Platte umfassen, die im Strahlengang des ersten Laserstrahls, insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung, angeordnet ist, und so bezüglich des auf die λ/2 Platte auftreffenden ersten Laserpulses orientiert ist, dass der erste Laserpuls nach dem Durchlaufen der λ/2 Platte in Richtung der kurzen Achse linear-polarisiert ist, und eine zweite λ/2 Platte umfassen, die im Strahlengang des zweiten Laserstrahls, insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung, angeordnet ist, und so bezüglich des auf die λ/2 Platte auftreffenden ersten Laserpulses orientiert ist, dass der zweite Laserpuls nach dem Durchlaufen der λ/2 Platte in Richtung der langen Achse linear-polarisiert ist.
  • Die erste λ/2 Platte ist also so orientiert, dass sie die Polarisationsrichtung des linear-polarisierten ersten Laserstrahls mit dem ersten Laserpuls in Richtung der kurzen Achse dreht. Die zweite λ/2 Platte ist so orientiert, dass sie die Polarisationsrichtung des linear-polarisierten zweiten Laserstrahls mit dem zweiten Laserpuls in Richtung der langen Achse dreht.
  • Gemäß einer Variante kann die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungsschaltung umfassen, die ein Triggersignal eines zweiten Lasers, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl mit dem zweiten Laserpuls zu emittieren, um das Zeitintervall Δt bezüglich eines Triggersignals eines ersten Lasers zu verzögern, wobei der erste Laser dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls zu emittieren. Das zweite Triggersignal kann also elektronisch bezüglich des ersten Triggersignals verzögert werden.
  • Gemäß einer alternativen Variante kann die Verzögerungseinrichtung einen Strahlumweg umfassen, der bewirkt, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls bis zu einer Bildebene der Halbleitermaterialschicht größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahls bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht. Gemäß dieser Variante wird also die zeitliche Verzögerung durch einen Gangunterschied verursacht, indem der zweite Laserpuls eine größere optische Weglänge bis zur Überlagerung durchlaufen hat als der erste Puls.
  • Der erste und zweite Laserstrahl des optisches Systems kann durch eine ersten und zweite Laserquelle bereitgestellt werden oder, alternativ, durch eine Laserquelle, deren emittierter Laserstrahl anhand eines Strahlteilers in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den ersten Laserpuls des ersten Laserstrahls, den zweiten Laserpuls des zweiten Laserstrahls, einen dritten Laserpuls eines dritten Laserstrahl und einen vierten Laserpuls eines vierten Laserstrahls in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, die Abbildungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abzubilden, die Polarisationseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den dritten Laserpuls in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie zu linear-polarisieren und den vierten Laserpuls in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie zu linear-polarisieren, und die Verzögerungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den vierten Laserpuls bezüglich des dritten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist.
  • Gemäß diesem Aspekt umfasst das optische System also eine Vierstrahl-Anordnung, bei der vier Laserstrahlen homogen überlagert und als Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abgebildet werden, wobei die Polarisationseinrichtung so angeordnet und eingerichtet ist, dass jeweils zwei Laserstrahlen der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen und zeitlich synchronisiert sind, und die anderen zwei der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen, die zeitlich verzögert bezüglich der Pulse der ersten zwei Laserstrahlen sind.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner eine Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, die das optische System gemäß einem oben beschriebenen Aspekt umfasst, und die dazu ausgebildet ist, die Halbleitermaterialschicht relativ zu der Beleuchtungslinie in einer Vorschubrichtung zu bewegen, wobei die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie entspricht. Die Halbleitermaterialschicht kann beispielsweise mittels einer Vorschubeinrichtung wie eines in der Vorschubrichtung beweglichen Tisches, auf dem der Träger mit der Halbleitermaterialschicht angeordnet ist, relativ zu der Belichtungslinie bewegt werden, so dass große Bereiche bis zu der gesamten Halbleiterschicht von der Beleuchtungslinie belichtet und damit bearbeitet werden können. Die Vorschubrichtung entspricht dabei der Richtung der kurzen Achse, so dass die Orientierung der Polarisation des ersten Pulses und/oder dritten Pulses der Vorschubrichtung entspricht.
  • Die Offenbarung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. In diesen zeigen:
    • - 1 eine schematische Ansicht einer Halbleitermaterialschicht, die mit einer bezüglich der Halbleitermaterialschicht in Vorschubrichtung bewegten Beleuchtungslinie belichtet wird zur Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht;
    • - 2a bis 2c die Liniengeometrie der abgebildeten Beleuchtungslinie;
    • - 3a und 3b eine schematische Ansicht eines optischen Systems für eine Anlage zur Bearbeitung von Halbleiterschichten, mittels dem eine Beleuchtungslinie geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann;
    • - 4 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform des optischen Systems, bei der der erste und zweite Laserstrahl durch Strahlteilung eines Laserstrahls bereitgestellt wird;
    • - 5 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform, bei der vier Laserstrahlen durch vier Laserquellen bereitgestellt werden, wobei die Pulse von zwei Laserstrahlen jeweils zeitlich verzögert zu den Pulsen der anderen zwei Laserstrahlen emittiert werden;
    • - 6 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform, bei der zwei Laserstrahlen durch zwei Laserquellen bereitgestellt werden, wobei die Pulse eines Laserstrahls zeitlich verzögert bezüglich der Pulse des anderen Laserstrahls sind;
    • - 7 schematisch einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf der Beleuchtungslinie, der sich durch homogene Überlagerung der Einzelpulse ergibt;
    • - 8a eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer kristallinen Siliziumschicht, die gemäß dem offenbarten Verfahren erzeugt wurde; und
    • - 8b eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer kristallinen Siliziumschicht, die gemäß einem Vergleichsverfahren bearbeitet wurde.
  • In der 1 ist schematisch gezeigt, wie gemäß dem offenbarten Verfahren ein Halbleitermaterial mit einem Laserstrahl zur Erzeugung homogen kristallisierter Schichten bestrahlt wird. Ein Träger 10, beispielsweise ein Glassubstrat, ist mit einer Schicht 12 aus dem zu bearbeitenden Halbleitermaterial beschichtet. In dem hier vorliegenden Beispiel ist das zu bearbeitende Halbleitermaterial amorphes Silizium. Die Dicke der Halbleitermaterialschicht 12 beträgt typischerweise in etwa 50 nm.
  • Ein Laserstrahl 14 in Linienform wird auf das Halbleitermaterial abgebildet und relativ zu diesem in einer Vorschubrichtung X bewegt, so dass die Laserlinie 14 mindestens einen Teilbereich der Halbleitermaterialschicht 12 überstreicht und dabei beleuchtet. Im hier gezeigten Beispiel wird der Träger 10 mit der Halbleitermaterialschicht 12 im Raum und damit relativ zu dem Laserstrahl 14, der ortsfest ist, verschoben. Die Laserlinie 14 kann relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 so bewegt werden, dass die gesamte Halbleitermaterialschicht 12 von der Laserlinie 14 bestrahlt wird. Typischerweise wird die Laserlinie 14 so relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 bewegt, dass ein bestimmter Bereich mehrmals von einer Laserlinie 14 bestrahlt wird. Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 5 mm/s und 50 mm/s.
  • Die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12, d.h. der Laserstrahl 14 trifft hier senkrecht auf die Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12 auf, mit einem Einfallwinkel von 0°.
  • Die Liniengeometrie des Laserstrahls 14 ist in den 2a bis 2c dargestellt. In den 2a bis 2c ist jeweils die Intensität in Abhängigkeit von einer bestimmten Richtung dargestellt.
  • Dabei zeigt die 2a die Intensität der Laserlinie in Richtung der langen Achse, und zwar eine entlang der kurzen Achse (entlang der x-Achse) integrierte Intensitätsverteilung 16, wobei die so integrierte Intensitätsverteilung 16 entlang der langen Achse (entlang der y-Achse) dargestellt ist. Per Konvention sollen in den Figuren die kurze Achse parallel zur x-Achse und die lange Achse parallel zur y-Achse verlaufen. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist die Verteilung 16 annähernd rechteckförmig, also entlang der langen Achse idealerweise homogen ausgebildet. Die Länge der Beleuchtungslinie in y-Richtung kann typischerweise zwischen 100 mm und 1000 mm sein, beispielsweise 100 mm, 250 mm, 750 mm oder 1000 mm, oder mehr als 1000 mm.
  • In den 2b und 2c ist jeweils die Intensität der Laserlinie in Richtung der kurzen Achse gezeigt, und zwar eine entlang der langen Achse (also entlang der y-Achse) integrierte Intensitätsverteilung 18, 20, wobei die so integrierte Intensitätsverteilung entlang der kurzen Achse (also entlang der x-Achse) dargestellt ist. Dabei weist die Intensität in der 2b einen gaußförmigen Verlauf 18 auf. Alternativ dazu kann die Intensität, wie in 2c dargestellt, einen flachen Verlauf 20 („flattop“), also einen annähernd rechteckförmigen Verlauf haben.
  • Typische Breiten für die Intensität in x-Richtung betragen zwischen 20 µm und 200 µm. Bei dem gaußförmigen Verlauf 18 der 2b wird die Breite dabei als eine Halbwertsbreite (englisch: Full Width at Half Maximum, FWHM) angegeben, bei dem abgeflachten Verlauf 20 der 2c als die Breite, die die Kurve bei einer Intensität hat, die 90% der Maximalintensität entspricht (FW 90%: Full Width at 90 %).
  • Wird die Beleuchtungslinie 14 über die zu bearbeitende Halbleitermaterialschicht 12 wie a-Si geführt, bewirkt dies, dass die Halbleitermaterialschicht 12 kurzzeitig aufschmilzt und sich als kristalline Schicht mit verbesserten elektrischen Eigenschaften verfestigt.
  • In den 3a und 3b ist schematisch ein optisches System 30 für eine Anlage zur Bearbeitung von Halbleiterschichten dargestellt, mittels dem eine Beleuchtungslinie 14, wie bezüglich der 1 und 2 beschrieben wurde, geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann.
  • Das optische System 30 umfasst, wie später näher beschrieben wird, eine Strahlformungseinrichtung 32, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl derart zu formen, dass ein Strahlprofil des Laserstrahls eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, sowie eine im Strahlengang des Laserstrahls der Strahlformungseinrichtung 32 nachgeordnete Abbildungseinrichtung 34, die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserstrahl als eine Beleuchtungslinie 36 abzubilden. Im hier gezeigten Beispiel ist gezeigt, dass vier Laserstrahlen auf die Strahlformungseinrichtung 32 treffen, und zwar der erste Laserstrahl 38, der zweite Laserstrahl 40, der dritte Laserstrahl 42 und der vierte Laserstrahl 44. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können aber auch zwei Laserstrahlen auf die Strahlformungseinrichtung 32 treffen, wie später anhand eines Beispiels erläutert wird. Prinzipiell ist dabei die Anzahl der Laserstrahlen weder auf vier noch auf zwei beschränkt, sondern es ist jede andere Anzahl möglich und von der Offenbarung umfasst.
  • In hier gezeigten Beispiel ist die Laserstrahlung die von mehreren UV-Festkörperlasern emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass andere Laserquellen, insbesondere andere Festkörperlaserquellen verwendet werden, beispielsweise Festkörperlaser, die im grünen Spektralbereich emittieren.
  • Dabei ist in den 3a und 3b, wie schon in den 1 und 2, die kurze Achse parallel zur x-Achse dargestellt und die lange Achse parallel zur y-Achse dargestellt. Die optische Achse des optischen Systems verläuft parallel zur z-Achse.
  • Die 3a zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der y-Richtung, also entlang der langen Achse des umgeformten Laserstrahls und der Beleuchtungslinie, und die 3b zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der x-Richtung, also entlang der kurzen Achse des umgeformten Laserstrahls und der Beleuchtungslinie.
  • Die Strahlformungseinrichtung 32 des optischen Systems 30 der 3a und 3b weist eine anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 auf, die die Intensität der einfallenden Laserstrahlen in Richtung der y-Achse homogenisiert. Die anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 umfasst beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete Zylinderlinsenarrays. Die Zylinderlinsenarrays teilen die einfallende Strahlung in einzelne Teilbündel auf und überlagern diese ganzflächig, so dass die Laserstrahlung weitgehend homogenisiert wird. Bei mehreren einfallenden Laserstrahlen wird jeder Laserstrahl in einzelne Teilbündel aufgeteilt und homogenisiert überlagert. Eine derartige Homogenisierungsoptik wird beispielsweise in dem hier in der Offenbarung eingeschlossenen Stand der Technik gemäß DE 42 20 705 A1 , DE 38 29 728 A1 oder DE 102 25 674 A1 näher beschrieben.
  • Die Strahlformungseinrichtung 32 des optischen Systems 30 weist ferner im Strahlengang hinter der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 eine Kondensorzylinderlinse 48 auf, welche dazu eingerichtet ist, die anhand der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 umverteilten und homogenisierten Laserstrahlen telezentrisch auf die Beleuchtungslinie 36 zu lenken und bezüglich der langen Achse, also in y-Richtung, dort zu überlagern. Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 und der Kondensorzylinderlinse 48 bewirkt also, dass die einfallende Laserstrahlung auf der Bildebene als Beleuchtungslinie 36 homogenisiert abgebildet wird.
  • Im Strahlengang hinter der Kondensorzylinderlinse 48 ist die Abbildungseinrichtung 34 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlen bezüglich der kurzen Achse, also in x-Richtung, auf die Beleuchtungslinie 36 zu fokussieren. Oder anders ausgedrückt: Die Abbildungseinrichtung 34 bildet die Laserstrahlen als die Beleuchtungslinie 36 ab, wobei ausschließlich die kurze Achse des Strahlprofils, nicht jedoch die homogenisierte lange Achse des Strahlprofils homogenisiert wird. Die Abbildungseinrichtung 34 kann beispielsweise eine Fokussierzylinderlinsenoptik sein.
  • Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 und der Kondensorzylinderlinse 48 können eine anamorphotische Optik sein oder Teil einer solchen Optik sein. Sie können insbesondere Teil einer anamorphotischen Optik sein, wie sie in den 4 bis 6 des in die vorliegende Offenbarung eingeschlossenen Dokuments DE 10 2012 007 601 A1 bezüglich der anamorphotischen Optik 42 beschrieben ist.
  • Demgemäß kann die Strahlformungseinrichtung 32 weiterhin eines oder mehrere der folgenden optischen Elemente umfassen:
    • - eine erste Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 54 versehen, zur Kollimation von bezüglich der x-Achse emittierten Laserstrahlen,
    • - eine zweite Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 56 versehen, zur Kollimation von bezüglich der y-Achse emittierten Laserstrahlen,
    • - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 58 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 60 versehen,
    • - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse 54 angeordnete Zwischenkollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 58' versehen, zur Kollimation der Lichtstrahlen des ersten Zwischenbildes, und/oder
    • - eine im Strahlengang hinter dem ersten Zwischenbild, insbesondere hinter der Zwischenkollimationszylinderlinse angeordnete weitere Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 62 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein zweites Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 64 versehen.
  • Die oben beschriebene anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 kann beispielsweise die in den 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Komponente 68 darstellen oder umfassen.
  • Die oben beschriebene Kondensorzylinderlinse 48 kann beispielsweise die in den 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Kondensorzylinderlinse 74 darstellen oder umfassen.
  • Schließlich kann die oben beschriebene Abbildungseinrichtung 34 beispielsweise die in den 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Komponente 66 darstellen oder umfassen.
  • Das optische System weist ferner für jeden der auf die anamorphotische Optik einfallenden Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 eine Polarisationseinrichtung 50 auf. Die Polarisationseinrichtung ist hier eine Optik zur Einstellung der Polarisationsrichtung 50, beispielweise eine λ/2 Platte im Strahlengang jedes der einfallenden Laserstrahlen 38, 40, 42, 44. Die Optik 50 ist im Strahlengang vor der anamorphotischen Optik bzw. der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 angeordnet. Jeder einfallende Laserstrahl durchläuft die Optik 50, so dass der die Optik 50 durchlaufene Laserstrahl 38, 40, 42, 44 in einer definierten Richtung linear polarisiert ist. Genauer gesagt, der vom Laser emittierte Laserstrahl ist schon linear polarisiert, wie beispielsweise im hier gezeigten Beispiel des UV-Festkörperlasers, und die Orientierung der Polarisation wird mittels der Optik 50 in eine definierte Richtung gedreht. Dabei ist die Optik 50, beispielsweise die λ/2 Platten, so bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts orientiert, dass zwei der vier Laserstrahlen nach Durchlaufen der Optik 50 in Richtung der langen Achse linear polarisiert sind, und die restlichen zwei der vier Laserstrahlen nach Durchlaufen der Optik 50 in Richtung der kurzen Achse, linear polarisiert sind. Dabei entspricht die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse, so dass die restlichen zwei der vier Laserstrahlen in Vorschubrichtung linear-polarisiert sind. Genauer ausgeführt, gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die im Strahlengang des ersten und des zweiten Laserstrahls 38, 40 angeordnete Optik 50, beispielweise die λ/2 Platten, so orientiert, dass der erste und der zweite Laserstrahl 38, 40 jeweils in Richtung der kurzen Achse, also in x-Richtung, in Vorschubrichtung, polarisiert sind, und die im Strahlengang des dritten und des vierten Laserstrahls 42, 44 angeordnete Optik 50, beispielsweise die λ/2 Platten, sind jeweils so orientiert, dass der dritte und der vierte Laserstrahl 42, 44 jeweils in Richtung der langen Achse, also in y-Richtung polarisiert sind. Im hier vorliegenden Beispiel werden die Laser ferner gepulst betrieben, so dass die einzelnen Pulse des jeweiligen Laserstrahls die oben beschriebene Polarisationsrichtung des jeweiligen Laserstrahls aufweisen.
  • Die vier Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 können die emittierte Laserstrahlung von vier Laserquellen sein, also jeder Laserstrahl ist einer separaten Laserquelle zugeordnet.
  • Alternativ können die Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 durch Strahlteilung eines von einer Laserquelle emittierten Laserstrahls mittels eines Strahlteilers in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl entstanden sein. Der Strahlteiler kann so ausgestaltet sein, dass er eine Teilung in den ersten Teilstrahl, den durchgelassenen Strahl, und in den zweiten Teilstrahl, den transmittierten Strahl, beispielsweise von je etwa 50% erzeugt. Dafür kann beispielsweise eine polarisierende Optik eingesetzt werden, beispielsweise ein sogenannter Dünnschicht-Polarisator. Dünnschicht-Polarisatoren sind optische Substrate mit einer speziellen Beschichtung, die Licht mit p-Polarisation (Schwingungsebene des elektrischen Vektors parallel zu der Ebene aus einfallendem Strahl und der Senkrechten auf der Substratoberfläche) hindurchtreten lässt und Licht mit s-Polarisation (Schwingungsebene des elektrischen Vektors senkrecht zu der Ebene aus einfallendem Strahl und der Senkrechten auf der Substratoberfläche) reflektiert. Mittels einer λ/2 Platte im Strahlengang vor dem Dünnschicht-Polarisator kann die Polarisationsrichtung des von der Laserquelle emittierten Laserstrahls so gedreht werden, dass gleiche Anteile an p- und s-Polarisation im Laserstrahl vor dem Dünnschicht-Polarisator vorkommen, um eine Aufteilung von in etwa 50% zu erzielen. Die λ/2 Platte vor dem Dünnschicht-Polarisator kann jedoch auch so gedreht werden, dass unterschiedliche Anteile an p- uns s-Polarisation im Laserstrahl vor dem Dünnschicht-Polarisator vorkommen, um eine Aufteilung verschieden von 50% zu erreichen. Prinzipiell kann mittels der Orientierung der λ/2 Platte die relative Intensität des ersten Teilstrahls zu dem zweiten Teilstrahl eingestellt werden.
  • Eine solche Anordnung ist schematisch in 4 gezeigt. Ein von einer Laserquelle emittierter, linear polarisierter Laserstrahl 52 trifft auf eine λ/2 Platte 54, die im Strahlengang vor dem Strahlteiler 56, hier einem Dünnschicht-Polarisator angeordnet ist. Die λ/2 Platte 54 ist so orientiert, dass die relativen Anteile an s- und p- Polarisation im Laserstrahl nach der λ/2 Platte der gewünschten relativen Intensität der beiden Teilstrahle 58, 60 nach dem Strahlteiler 56 entspricht, wie oben allgemein beschrieben ist. Der erste Teilstrahl 58 kann dann beispielsweise der erste Laserstrahl 38 der Anordnung von 3a und 3b sein, und der zweite Teilstrahl 60 kann dann beispielsweise der dritte Laserstrahl 42 von 3a und 3b sein. Der zweite Teilstrahl 60 wird mittels eines reflektierenden Elements 62 so umgelenkt, dass er parallel zu dem ersten Teilstrahl 58 verläuft. Zusätzlich dazu sind im Strahlengang hinter dem Strahlteiler 56 jeweils eine λ/2 Platte 64 im Strahlengang des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls angeordnet, die den λ/2 Platten 50 aus den 3a und 3b im Strahlengang des ersten Laserstrahls 38 und des dritten Laserstrahls 42 entsprechen. Das heißt, die nachgeordnete λ/2 Platte 64 im Strahlweg des ersten Teilstrahls 58 dient zur Polarisation in Richtung der kurzen Achse. Die nachgeordnete λ/2 Platte 64 im Strahlweg des zweiten Teilstrahls 60 dient dann zur Polarisation in Richtung der langen Achse.
  • Der zweite und vierte Laserstrahl 40, 44 kann mit einer weiteren, der Anordnung der 4 entsprechenden Anordnung mit einem Strahlteiler 56 durch Strahlteilung bereitgestellt werden. Die nachgeordneten λ/2 Platten 64 sind dann wieder so orientiert, dass sie einen dritten und vierten Teilstrahl jeweils in Richtung der kurzen Achse und in Richtung der langen Achse polarisieren. Die vier Laserstrahlen der 3a und 3b können also alternativ durch 2 Laserquellen bereitgestellt werden, deren emittierte Laserstrahlen dann jeweils durch Strahlteilung in einen ersten und zweiten Teilstrahl 58. 60 bzw. in einen dritten und vierten Teilstrahl aufgeteilt werden.
  • Das optische System 30 von 3a und 3b kann auch dazu verwendet werden, wie schon oben beschrieben wurde, eine andere Anzahl als 4 Laserstrahlen zu überlagern, beispielsweise 2 Laserstrahlen. Die 2 Laserstrahlen können dann entsprechend den 4 Laserstrahlen durch 2 Laserquellen bereitgestellt werden, oder durch eine Laserquelle, deren emittierter Laserstrahl dann durch Strahlteilung in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, mittels einer der 4 entsprechenden oder gleichen Anordnung.
  • Das optische System 30 von 3a und 3b ist ferner so eingerichtet, dass die Pulse verschiedener Polarisation jeweils zeitlich versetzt zueinander mit einem vorbestimmten Zeitintervall Δt sind. Dies kann bei der Verwendung von jeweils separaten Laserquellen für jeden Laserstrahl durch elektronisches Verzögern der Triggersignale der Laserquellen erreicht werden. Bei der Bereitstellung von Laserstrahlen mittels Teilstrahlen kann die zeitliche Verzögerung durch einen Strahlumweg erreicht werden. Wie in 4 gezeigt ist, legt der zweite Teilstrahl 60 einen um den Weg Δs längeren Weg zurück als der erste Teilstrahl 58. Der Weg Δs kann so gewählt werden, dass eine Zeitverzögerung um das vorbestimmte Zeitintervall Δt des zweiten Teilstrahls 60 bezüglich des ersten Teilstrahls 58 entsteht. Das vorbestimmte Zeitintervall beträgt dabei bevorzugterweise 10 ns bis 20 ns.
  • Mittels des oben beschriebenen optischen Systems 30 werden also jeweils mindestens ein Laserpuls, der in Richtung der kurzen Achse polarisiert ist, und ein Laserpuls, der in Richtung der langen Achse polarisiert ist, auf der Beleuchtungslinie homogenisiert überlagert abgebildet, wobei der in Richtung der langen Achse polarisierte Puls bezüglich des in Richtung der kurzen Achse polarisierten Pulses um das Zeitintervall Δt verzögert ist. Bei der Überlagerung von vier Laserstrahlen sind zwei Laserstrahlen in Richtung der kurzen Achse polarisiert, und 2 Laserstrahlen in Richtung der langen Achse polarisiert, wobei die Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der kurzen Achse zeitgleich synchronisiert sind und die Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der langen Achse bezüglich der Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der kurzen Achse zeitlich verzögert um das gleiche Zeitintervall Δt sind.
  • Dabei ist die anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 so ausgebildet, dass jeder eintreffende Lichtstrahl in Teilstrahlen zerlegt wird und in Richtung der langen Achse homogenisiert überlagert wird. Das heißt, jeder einzelne Strahl erzeugt eine homogene Linie. Bei der oben beschriebenen gepulsten Anordnung mit 2 Laserstrahlen wird also sowohl der Laserpuls, der in Richtung der kurzen Achse polarisiert ist und zeitlich vorauseilt, als homogene Linie überlagert und abgebildet, als auch der Laserpuls, der in Richtung der langen Achse polarisiert ist und zeitlich bezüglich des ersten Pulses verzögert ist. Bei der Anordnung mit 4 Laserstrahlen werden folglich jeder der Laserpulse, die in Richtung der kurzen Achse polarisiert sind und zeitlich vorauseilen, jeweils als homogene Linie überlagert und abgebildet, als auch jeder der Laserpulse, die in Richtung der langen Achse polarisiert sind und zeitlich bezüglich der ersten Pulse verzögert sind.
  • Dies wird nochmal genauer anhand des offenbarten Verfahrens erläutert.
  • In der 5 wird das offenbarte Verfahren beispielhaft anhand einer Anordnung mit vier Laserquellen, d.h. einer ersten Laserquelle 66, einer zweiten Laserquelle 68, einer dritten Laserquelle 70 und einer vierten Laserquelle 72, beschrieben. Die erste Laserquelle 66 und die zweite Laserquelle 68 sind jeweils dazu vorgesehen, einen ersten Laserstrahl 74 mit einem ersten Laserpuls 76 und einen zweiten Laserstrahl 78 mit einem zweiten Laserpuls 80 bereitzustellen, wobei der erste und der zweite Laserpuls 76, 80 durch synchronisierte Triggersignale 82 der ersten und zweiten Laserquelle 66, 68 zeitgleich emittiert werden. Die dritte und die vierte Laserquelle 70, 72 sind dazu vorgesehen, jeweils einen dritten Laserstrahl 84 mit einem dritten Laserpuls 86 und einen vierten Laserstrahl 88 mit einem vierten Laserpuls 90 bereitzustellen, wobei die Triggersignale 92 der dritten und der vierten Laserquelle 70, 72 jeweils um das Zeitintervall Δt elektronisch verzögert werden, beispielweise mittels einer elektronischen Verzögerungsschaltung 94, so dass der dritte und der vierte Laserpuls 86, 90 jeweils um das Zeitintervall Δt bezüglich des ersten Pulses 76 und des zweiten Pulses 80 zeitlich verzögert emittiert werden und zeitlich verzögert propagieren. Gemäß dem offenbarten Verfahren werden ferner der erste Laserpuls 76 und der zweite Laserpuls 80 in Richtung der Vorschubrichtung, also in Richtung der x-Achse, linear-polarisiert, also die Polarisation wird in der Vorschubrichtung ausgerichtet, und der dritte Laserpuls 86 und der vierte Laserpuls 90 werden in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, also die Polarisation wird in Richtung der langen Achse ausgerichtet, beispielsweise mittels der bezüglich 3a und 3b beschriebenen Ä/2-Platten 50. Die ersten bis vierten Laserpulse 76, 80, 86, 90 haben typischerweise eine zeitliche Halbwertsbreite (FWHM), die im Bereich von 15 ns bis 20 ns liegt. Typische Zeiten für das Zeitintervall Δt liegen zwischen 10 ns bis 20 ns.
  • Die vier Laserstrahlen 74, 78, 84, 88 mit den vier Laserpulsen 76, 80, 86, 90 werden dann in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, beispielsweise mittels der anhand von 3a und 3b beschriebenen Strahlformungseinrichtung 32. Der so geformte Laserpuls wird anschließend als eine Beleuchtungslinie 36 auf eine Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet, beispielsweise mittels der anhand von 3a und 3b beschriebenen Abbildungseinrichtung 34.
  • In der 6 ist das offenbarte Verfahren beispielhaft anhand einer Anordnung mit zwei Laserquellen beschrieben. Dabei entspricht die erste Laserquelle 66 der ersten Laserquelle von 5, und die zweite Laserquelle 70 entspricht der dritten Laserquelle von 5. Demgemäß wird das Triggersignal 92 der zweiten Laserquelle 70 elektronisch bezüglich des Triggersignals 82 der ersten Laserquelle 66 um das Zeitintervall Δt verzögert, so dass der zweite Laserpuls 86 um das Zeitintervall Δt verzögert bezüglich des ersten Laserpulses 76 propagiert. Ferner wird der erste Laserpuls 76 in Richtung der kurzen Achse des später geformten Laserpulses bzw. der Beleuchtungslinie in Linienform linear-polarisiert, und der zweite Laserpuls 86 wird senkrecht dazu in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, beispielsweise mittels der bezüglich 3a und 3b beschriebenen λ/2 Platten 80. Die Richtung der kurzen Achse entspricht dabei der Richtung eines Vorschubs, mit dem die später geformte Beleuchtungslinie 36 bezüglich des zu bearbeitenden Halbleitermaterials 12 bewegt wird. Analog zu dem Verfahren der 5 werden dann die zwei Laserstrahlen 74, 84 mit den zwei Laserpulsen 76, 86 in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, beispielsweise mittels der anhand von 3a und 3b beschriebenen Strahlformungseinrichtung 32. Der so geformte Laserpuls wird anschließend als eine Beleuchtungslinie 36 auf eine Bildebene des Halbleitermaterials 12 abgebildet, beispielsweise mittels der anhand von 3a und 3b beschriebenen Abbildungseinrichtung 34.
  • Die Liniengeometrie der so geformten Beleuchtungslinie 36 wurde anhand der 2a bis 2c erläutert. Der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf, also die Intensität der überlagerten und zeitlich zueinander verzögerten Pulse in Abhängigkeit von der Zeit, der so geformten Beleuchtungslinie soll nun anhand von 7 erläutert werden. In der 7 ist der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf 96 beispielhaft für das in der 6 offenbarte Verfahren mit zwei Laserquellen dargestellt. In der 7 ist ferner sowohl die kombinierte Intensität der beiden Laserstrahlen 74, 84 als auch die Intensität der Pulse für jeden einzelnen Laserstrahl in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
  • Dabei entspricht in der 7 der mit dem Bezugszeichen 98 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem Intensitätsverlauf des ersten Laserpulses 76 des ersten Laserstrahls 74, der mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem Intensitätsverlauf des zweiten Laserpulses 86 des zweiten Laserstrahls 84, und der mit dem Bezugszeichen 96 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf des ersten und zweiten Pulses 76, 86. Der erste und der zweite Laserpuls 76, 86 haben jeweils eine zeitliche Halbwertsbreite (FWHM), die zwischen 15 ns und 20 ns beträgt. Wie ferner in der 7 zu sehen ist, ist der zweite Laserpuls 86 zeitlich verzögert bezüglich des ersten Laserpulses 76, und zwar um eine Zeitdauer von circa 10 ns bis 20 ns. In der 7 beträgt die Zeitdauer in etwa 20 ns. Dadurch entsteht im kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf 96 ein Pulsverlauf, der ein erstes Maximum M1 und ein zweites Maximum M2 aufweist, und der in Bezug auf die Einzelpulsdauer eine verbreiterte Pulsdauer 102 hat, und zwar ergibt sich eine Gesamtpulslänge von 40 ns bis 50 ns. Die Gesamtpulslänge 102 entspricht wieder einer zeitlichen Halbwertsbreite, und zwar der zeitlichen Halbwertsbreite auf das erste Maximum bezogen („Full Width at Half Maximum of First Maximum“), also der Breite des Pulses an der Stelle, an der die Intensität des ersten Pulses die Hälfte des Maximalwertes M1 hat.
  • Wie auch in 7 dargestellt ist, ist die maximale Intensität M1 des ersten Laserpulses 76 größer als die maximale Intensität M2 des zweiten, zeitlich verzögerten Laserpulses 86. Speziell wird die Intensität des ersten Laserpulses 76 relativ zu der Intensität des zweiten Laserpulses 86 so eingestellt, dass das Verhältnis des ersten Maximums M1 zu dem zweiten Maximum M2 des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf 96, das Verhältnis M1/M2, zwischen 1/1,2 und 1/0,7, also zwischen 0,8 und 1,4 liegt. Dies kann bei der Ausführungsform, bei der jeder Laserstrahl durch eine separate Laserquelle bereitgestellt wird, dadurch erreicht werden, dass die Intensitäten der einzelnen Laserstrahlen aufeinander abgestimmt werden. Bei der in 4 schematisch gezeigten Anordnung, bei der die zwei Laserstrahlen durch Teilung eines Laserstrahls bereitgestellt werden, kann die relative Intensität durch Verändern der s- und p-Anteile des Lichtstrahls vor dem Dünnfilm-Polarisator 56 durch entsprechendes Drehen der λ/2 Platte 54 erreicht werden.
  • Wie oben auch schon ausführlich beschrieben wurde, ist gemäß der vorliegenden Offenbarung der erste Laserpuls 76 linear-polarisiert in Richtung der kurzen Achse, also in Richtung des Vorschubs, und der zweite Laserpuls 86 ist linear-polarisiert in Richtung der langen Achse.
  • Eine der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Erkenntnis ist es, dass die oben beschriebene Linear-Polarisation des ersten und zweiten Pulses 76, 86 einen positiven Effekt auf die Homogenität der mit der Laserlinie bearbeiteten Halbleitermaterialschicht 12 hat. So hat sich herausgestellt, dass bei einer Polarisation des zeitlich ersten Pulses in Richtung des Vorschubs und des zeitlich verzögerten Pulses in Richtung der langen Achse sehr homogene 50 nm bis 60 nm dicke Schichten aus kristallinem Silizium mit regelmäßiger Kornstruktur entstehen. Das Verhältnis des ersten Maximums M1 zu dem zweiten Maximum M2 des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs betrug dabei in etwa 1:1, also zwischen 0,8 und 1,4.
  • Bei einer vertauschten Polarisation dagegen, also bei einer Linear-Polarisation des ersten Pulses in Richtung der langen Achse und des zweiten, verzögerten Pulses in Richtung der kurzen Achse, konnte dieser positive Effekt nicht beobachtet werden.
  • Diese Erkenntnis soll anhand der folgenden experimentellen Daten verdeutlicht werden:
    • Das zu bearbeitende Halbleitermaterial war eine 50 nm dünne Schicht aus amorphem Silizium auf einem Glassubstrat als Träger. Die verwendete optische Anordnung war eine Linienstrahlanordnung mit vier UV-Festkörperlasern, die Licht mit einer Wellenlänge von 343 nm emittieren. Die vier Laser wurden mit einer Pulswiederholrate von 10 kHz betrieben. Die Pulslänge der emittierten Pulse, also die zeitliche Halbwertsbreite, betrug zwischen 15 ns und 20 ns. Die Energie eines Laserpulses betrug bis zu 20 mJ. Die Energiedichte am Substrat, also an der Siliziumschicht, betrug 220 mJ/cm2. Analog zu dem Verfahren von 5 wurden die Vielzahl der ersten und der zweiten Laserpulse von einem ersten und zweiten Laser der vier Laser durch synchronisierte Triggersignale der Laserquellen jeweils zeitgleich synchronisiert, so dass jeweils ein erster Laserpuls zeitgleich mit einem zweiten Laserpuls emittiert wurde. Die Vielzahl der dritten und vierten Laserpulse des dritten und vierten Lasers wurde jeweils bezüglich der Vielzahl von ersten und zweiten Laserpulsen zeitlich verzögert um 10 ns bis 20 ns. Die Intensitäten der vier Laserstrahlen wurden so eingestellt, dass sich ein Verhältnis von 1/1 für das Verhältnis des ersten Maximums zu dem zweiten Maximum im kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (M1/M2) ergab.
  • Die Laserpulse der vier Laserstrahlen wurden mit einer der 3a und 3b entsprechenden Anordnung in eine Laserlinie umgeformt und als Beleuchtungslinie auf dem amorphen Silizium abgebildet. Die Beleuchtungslinie wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/s bezüglich der Halbleiterschicht bewegt, und zwar in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie. Die Länge der Beleuchtungslinie in Richtung der langen Achse betrug 90 mm mit einer Homogenität von 1,5% (2σ). Die Länge der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse betrug 67 µm mit einer Homogenität von 3% (2σ). Die Gesamtpulslänge des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs betrug 45 ns („Full Width at Half Maximum of First Maximum“).
  • In einem 1.Versuch (Versuch a)) wurden nun die Pulse 76, 80 des ersten und zweiten Laserstrahls 74, 78 in Richtung der kurzen Achse linear-polarisiert, und die Pulse 86, 90 der verzögerten dritten und vierten Laserstrahlen 84, 88 wurden in Richtung der langen Achse polarisiert.
  • In einem 2. Versuch (Versuch b)) wurden die Pulse des ersten und zweiten Laserstrahls in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, und die Pulse der verzögerten dritten und vierten Laserstrahlen wurden in Richtung der kurzen Achse polarisiert.
  • Die 8a zeigt ein mit einem Rasterelektronen-Mikroskop aufgenommenes Bild der Siliziumoberfläche nach der Laserbelichtung gemäß Versuch a), und die 8b zeigt ein mit einem Rasterelektronen-Mikroskop aufgenommenes Bild der Siliziumoberfläche nach der Laserbelichtung gemäß Versuch b). In beiden Bildern war die Vorschubrichtung in Richtung der x-Achse (kurze Achse der Beleuchtungslinie), also bezüglich 8a und 8b in vertikaler Richtung.
  • 8a zeigt, dass sich eine regelmäßige Kornstruktur senkrecht zur der Vorschubrichtung, also in y-Richtung, in Richtung der langen Achse ergibt. Speziell ist zu sehen, dass die Körner in vertikal verlaufenden Reihen angeordnet sind, die in etwa gleich beabstandet sind, und zwar mit einem Abstand von in etwa 0,35 µm, entsprechend der Wellenlänge des UV-Lasers. Oder anders ausgedrückt: Die Kornstruktur zeigt ein in Vorschubrichtung verlaufendes Streifenmuster, wobei die Streifen gleich beabstandet sind und sich so eine Homogenität in Richtung der langen Achse ergibt. Die Korngröße in Richtung der langen Achse (y-Richtung) weist also eine große Homogenität auf. In Richtung der kurzen Achse (x-Richtung) zeigt sich eine im Vergleich zur langen Achse geringere Homogenität.
  • 8b zeigt dagegen, dass sich keinerlei ausgeprägte Homogenität, weder in Richtung der kurzen Achse (x-Richtung) noch in Richtung der langen Achse (y-Richtung) ergibt. Die Kornstruktur erscheint im Vergleich zu der Kornstruktur der 8a ungeordnet, sowohl in Bezug auf die Orientierung als auch in Bezug auf die Größe der Körner.
  • Wie oben schon beschrieben wurde, basiert der Laser-Kristallisationsprozess auf dem teilweisen Aufschmelzen der a-Si Schicht und der anschließenden Verfestigung ausgehend von nicht-aufgeschmolzenem festem Silizium auf dem Glassubstrat in einer kristallinen Struktur. Das Aufschmelzen und Verfestigen läuft auf einer Zeitskala von 10 ns bis 100 ns ab und die sich anschließende Abkühlung des Films auf Raumtemperatur über mehrere 100 µs. Die Pulswiederholrate von 10 kHz entspricht einer Periode von 100 µs. Da die Pulswiederholrate, die Vorschubgeschwindigkeit und die Pulsbreite der Beleuchtungslinie in Vorschubrichtung so dimensioniert sind, dass eine Stelle des Halbleitermaterials mehrmals während des Belichtungsvorgangs belichtet wird, also von mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen, und die der Pulswiederholrate entsprechende Periode kleiner ist als die Zeit, die der Film braucht, um auf Raumtemperatur abzukühlen, wird das Halbleitermaterial während des Kristallisationsprozesses wiederholt mit UV-Licht bestrahlt. Hinzu kommt die relativ lange Belichtung durch einen Puls aufgrund des relativ langen zeitlichen Laserpulsverlaufs über mehrere 10 ns. Diese Mehrfachbelichtung fördert die Ausbildung gleichmäßiger Kornstrukturen.
  • Wie einleitend erwähnt, ist es ferner bekannt, dass die Polarisation des Laserlichts, insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen Mehrfachbelichtung, einen positiven Effekt auf die regelmäßige polykristalline Silizium-Kornstruktur haben kann. Dies ist auf einen Oberflächeninterferenzeffekt („Laser Induced Periodical Pattern Structure“, LIPSS) zurückzuführen, der dazu führt, dass eine modulierte Intensitätsverteilung entsteht. So hat sich gezeigt, dass sich eine regelmäßige Struktur entlang der langen Achse ausbildet, wenn das Licht in Richtung der langen Achse linear-polarisiert ist, entsprechend ist der Effekt in Vorschubrichtung beobachtbar, wenn das Licht in Richtung der kurzen Achse (Vorschubrichtung) linear-polarisiert ist.
  • Der LIPPS Effekt wurde in zahlreichen Publikationen diskutiert, beispielwese in den unten angegebenen Referenzen (1) bis (4). Man nimmt dabei an, dass die modulierte Intensitätsverteilung durch eine Wechselwirkung des einfallenden Lichtstrahls mit den an der Oberfläche und in Richtung der Oberfläche gebeugten Lichtstrahlen und eine dadurch bedingte periodische Verteilung der Pulsenergiedichte entsteht. Die periodische Pulsenergiedichteverteilung hat die Form von sogenannten „ripples“, die um einen Betrag von λ/(1 ± sinΘ) beabstandet sind, für Laserlicht mit einer Wellenlänge λ und einem Einfallswinkel Θ. Für senkrechten Lichteinfall (Θ=0°) ergibt sich damit eine Beabstandung in der Größenordnung von der Wellenlänge λ. Die „ripples“ erstrecken sich dabei in einer Richtung senkrecht zum E-Feld Vektor, also zur Polarisationsrichtung des Lichtstrahls bzw. Lichtpulses und weisen eine Periodizität in Richtung des E-Feld Vektors auf. Entlang der „ripples“ ist die Pulsenergiedichte minimal oder maximal. Die periodische Pulsenergiedichte verursacht die räumlich periodische Temperaturverteilung auf der belichteten Halbleitermaterialschicht, wobei die periodische Temperaturverteilung ähnlich zu der periodische Pulsenergiedichteverteilung ist. Bei der periodischen Temperaturverteilung muss außerdem noch die thermische Diffusion in der Halbleitermaterialschicht berücksichtigt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die periodische Verteilung der Pulsenergiedichte mit der Dicke der Halbleitermaterialschicht variiert aufgrund von Mehrfachreflexionen im Innern der Halbleitermaterialschicht.
  • Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass nach diesen Beobachtungen, um eine Periodizität bzw. Regelmäßigkeit in Richtung der langen Achse zu erhalten, der E-Feld Vektor in Richtung der langen Achse sein muss, also das Licht bzw. der Lichtpuls in Richtung der langen Achse linear-polarisiert sein muss.
  • Entsprechend ist man bisher davon ausgegangen, dass jeder Puls mindestens einen Anteil an Polarisation in Richtung der langen Achse enthalten muss, um eine regelmäßige Kornstruktur in Richtung der langen Achse erzeugen zu können.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung hat sich nun herausgestellt, dass es hinsichtlich der Homogenität der polykristallinen Silizium-Kornstruktur besonders vorteilhaft ist, wenn der zeitlich erste Puls 76 oder die zeitlichen ersten Pulse 76, 80 in Richtung der kurzen Achse, also in Vorschubrichtung, polarisiert ist, und der zweite, verzögerte Puls 86 oder die zweiten verzögerten Pulse 86, 90 in Richtung der langen Achse polarisiert ist.
  • Eine mögliche Erklärung dafür, dass regelmäßige Kornstrukturen gefördert werden, wenn der zweite Puls in der langen Achse polarisiert ist, könnte sein, dass dieses Licht in der langen Achse die Interferenzmodulation (LIPPS) mit der Laserwellenlänge erzeugt und damit die strukturierte Kornbildung in dieser Richtung unterstützt. Ist der zweite Puls in Vorschubrichtung linear-polarisiert, bildet sich keine Interferenzmodulation in der langen Achse aus.
  • Ein Erklärungsansatz, warum die Polarisation des Lichtes im ersten Maximum, also des ersten Pulses, in Richtung der kurzen Achse (Vorschubrichtung) vorteilhaft für die Kornstruktur ist, könnte sein, dass in diesem Zeitabschnitt der Bestrahlung der Film in der langen Achse gleichmäßiger aufgeheizt wird als wie wenn ein Polarisationsanteil in Richtung der langen Achse vorhanden wäre, da dort die Interferenzmodulation nicht auftritt, und erst der zweite Pulsanteil die partiell flüssige Phase strukturiert erzeugt und die Kornstruktur fördert.
  • Ferner wurde beobachtet, dass bei der Einstellung der Polarisation des ersten Pulses in Vorschubrichtung, also in Richtung der kurzen Achse, und des zweiten verzögerten Pulses in Richtung der langen Achse gemäß Versuch a) sich die Größe des Energiedichte-Prozessfensters auf 20 bis 25 mJ/cm2 vergrößert (für ein Energiedichte-Prozessfenster von 210 bis 230 bzw. 235 mJ/cm2), im Vergleich zu einer Belichtung, bei der der erste Puls und der zweite, verzögerte Puls die gleiche Polarisationsverteilung in den beiden Richtungen aufweisen. Für diesen Fall wurden für die Größe des Energiedichte-Prozessfensters nur ca. 10 mJ/cm2 beobachtet (für ein Energiedichte-Prozessfenster von 215 bis 225 mJ/cm2).
  • Referenzen (1) bis (4):
    • (1) P. van der Wilt, „Excimer-LASER Annealing: Microstructure Evolution and a Novel Characterization Technique, SID 2014 Digest p194
    • (2) S. Horita, H. Kaki, K. Nishioka, „Surface modification of an amorphous Si thin film crystallized by a linear polarized Nd:YAG pulse laser beam“, Journal of Applied Physics 102, 013501 (2007)
    • (3) H.M van Driel, J.E. Sipe, and J.F. Young, „Laser-Induced Periodic Surface Structure on Solids: A Universal Phenomenon“, Phys. Rev. Lett. 49, 1955-1958 (1982) and S.E. Clark and D.C. Emmony, „Ultravioletlaser-induced periodic surface structures“, Phys. Rev. B 40, 2031-2041 (1989)
    • (4) J.F. Young, J. S. Preston, H. M. van Driel, and J. E. Sipe, „Laser-induced periodic surface structure. II. Experiments on Ge, Si, Al, and brass“, Phys. Rev. B 27, 1155-1172 (1983).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4220705 A1 [0057]
    • DE 3829728 A1 [0057]
    • DE 10225674 A1 [0057]
    • DE 102012007601 A1 [0060, 0061, 0062, 0063, 0064]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines ersten Laserstrahls (74) mit einem ersten Laserpuls (76) und eines zweiten Laserstrahls (84) mit einem zweiten Laserpuls (86), - Umformen des ersten Laserpulses (76) und des zweiten Laserpulses (86), anhand einer Strahlformungseinrichtung (32), in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform, - Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand einer Abbildungseinrichtung (34), als eine Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12), wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist - Einstellen einer Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses (76) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36), - Einstellen einer Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses (86) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36), und - zeitliches Verzögern des zweiten Laserpulses (86) bezüglich des ersten Laserpulses (76) um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (M1) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend - Bewegen der Beleuchtungslinie (36) relativ zu der Halbleitermaterialschicht (12) in einer Vorschubrichtung, wobei der erste Laserpuls (76) in der Vorschubrichtung linear-polarisiert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die relative Intensität des ersten Laserpulses (76) und des zweiten Laserpulses (86) so gewählt ist, dass das Verhältnis von dem ersten Maximum (M1) zu dem zweiten Maximum (M2) in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) im Bereich von 0,8 bis 1,4, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,2 liegt, insbesondere 1,0 ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf (96) der Beleuchtungslinie (36) eine zeitliche Halbwertsbreite (102), bezogen auf das erste Maximum des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs, zwischen 40 und 50 ns aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - Bereitstellen eines ersten Lasers (66) und eines zweiten Lasers (70), die dazu ausgebildet sind, jeweils den ersten Laserstrahl (74) und den zweiten Laserstrahl (84) zu emittieren, und die so gesteuert werden, dass der zweite Laserpuls (86) um das Zeitintervall Δt verzögert zu dem ersten Laserpuls (76) emittiert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend - Bereitstellen eines ersten Lasers, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl (52) mit einem Puls bereitzustellen, - Aufteilen des Laserstrahls (52) in einen ersten Laserstrahlanteil (58) und in einen zweiten Laserstrahlanteil (60), wobei der erste Laserstrahlanteil (58) den ersten Laserstrahl (74) mit dem ersten Laserpuls (76) bildet und der zweite Laserstrahlanteil (60) den zweiten Laserstrahl (84) mit dem zweiten Laserpuls (86) bildet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die optische Weglänge des zweiten Laserstrahlanteils (60) von einem Ort der Strahlteilung bis zu der Halbleitermaterialschicht (12) größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahlanteils (58) von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Halbleitermaterialschicht (12).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Laserpuls (76) ein Laserpuls von einer Vielzahl von ersten Laserpulsen des ersten Laserstrahls (74) ist und der zweite Laserpuls (86) ein Laserpuls von einer Vielzahl von zweiten Laserpulsen des zweiten Laserstrahls (84) ist, und wobei jeder der Vielzahl von Laserpulsen des zweiten gepulsten Laserstrahls (84) jeweils zeitlich verzögert bezüglich eines anderen der Vielzahl von Laserpulsen des ersten gepulsten Laserstrahls (74) um das vorbestimmte Zeitintervall Δt ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bezogen auf einen der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Vorschubgeschwindigkeit, eine Pulswiederholrate des ersten Laserstrahls (74) und des zweiten Laserstrahls (84) und eine geometrische Halbwertsbreite der Beleuchtungslinie (36) in Richtung der kurzen Achse so gewählt werden, dass eine Stelle der Halbleitermaterialschicht (12) mehrmals von einer Beleuchtungslinie (36) belichtet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - Bereitstellen eines dritten Laserstrahls (78) mit einem dritten Laserpuls (80) und eines vierten Laserstrahls (88) mit einem vierten Laserpuls (90), - Umformen des ersten Laserpulses (76), des zweiten Laserpulses (86), des dritten Laserpulses (80) und des vierten Laserpulses (90), anhand der Strahlformungseinrichtung (32), in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform, - Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand der Abbildungseinrichtung (36), als die Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12), wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist - Einstellen einer Polarisationsrichtung des dritten Laserpulses (80) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36), - Einstellen einer Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses (90) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36), und - zeitliches Verzögern des vierten Laserpulses (90) bezüglich des dritten Laserpulses (80) um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (26) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (M1) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist.
  11. Optisches System (30) zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht (12), insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend: - eine Strahlformungseinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Laserpuls (76) eines ersten Laserstrahls (74, 38) und einen zweiten Laserpuls (86) eines zweiten Laserstrahls (84, 40) in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, - eine Abbildungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12) abzubilden, wobei das optische System (30) ferner umfasst - eine Polarisationseinrichtung (50), die dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses (76) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten und eine Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses (86) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten, sowie - eine Verzögerungseinrichtung (94), die dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserpuls (86) bezüglich des ersten Laserpulses (76) um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (M1) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist.
  12. Optisches System (30) nach Anspruch 11, wobei die Polarisationseinrichtung eine erste λ/2 Platte (50) umfasst, die im Strahlengang des ersten Laserstrahls (74, 38), insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung (32), angeordnet ist, und so bezüglich des auf die λ/2 Platte (50) auftreffenden ersten Laserpulses (76) orientiert ist, dass der erste Laserpuls (76) nach dem Durchlaufen der λ/2 Platte (50) in Richtung der kurzen Achse linear-polarisiert ist, und eine zweite λ/2 Platte (50) umfasst, die im Strahlengang des zweiten Laserstrahls (84, 40), insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung (32), angeordnet ist, und so bezüglich des auf die λ/2 Platte (50) auftreffenden zweiten Laserpulses (86) orientiert ist, dass der zweite Laserpuls (86) nach dem Durchlaufen der λ/2 Platte (50) in Richtung der langen Achse linear-polarisiert ist.
  13. Optisches System (30) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungsschaltung (94) umfasst, die ein Triggersignal (92) eines zweiten Lasers (70), der dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (84, 40) mit dem zweiten Laserpuls (86) zu emittieren, um das Zeitintervall Δt bezüglich eines Triggersignals (82) eines ersten Lasers (66) zu verzögern, wobei der erste Laser (66) dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (74) mit dem ersten Laserpuls (76) zu emittieren.
  14. Optisches System (30) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Verzögerungseinrichtung einen Strahlumweg (Δs) umfasst, der bewirkt, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls (84, 40) bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht (12) größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahls (74, 38) bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht (12).
  15. Optisches System (30) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Strahlformungseinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, den ersten Laserpuls (76) des ersten Laserstrahls (74), den zweiten Laserpuls (86) des zweiten Laserstrahls (84), einen dritten Laserpuls (80) eines dritten Laserstrahls (78) und einen vierten Laserpuls (90) eines vierten Laserstrahls (88) in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, wobei die Abbildungseinrichtung (34) dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als die Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12) abzubilden, wobei die Polarisationseinrichtung (50) dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Polarisationsrichtung des dritten Laserpuls (80) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten und eine Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses (90) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten, und wobei die Verzögerungseinrichtung (94) dazu eingerichtet ist, den vierten Laserpuls (90) bezüglich des dritten Laserpulses (80) um ein vorbestimmtes Zeitintervall Δt zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (M1) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist.
  16. Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht (12), insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend ein optisches System (30) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Anlage dazu ausgebildet ist, die Halbleitermaterialschicht (12) relativ zu der Beleuchtungslinie (36) in einer Vorschubrichtung zu bewegen, wobei die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) entspricht.
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