DE202009001152U1 - XeCI-Laser mit Pulsverlängerung - Google Patents

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Abstract

XeCl-Laser, zur Belichtung einer Schicht insbesondere zur Manipulation der Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste zeitliche Pulsform eines Laserpulses durch eine Pulsverlängerungsvorrichtung geführt wird und damit eine zweite zeitliche Pulsform eine Flanke mit einem steilen Anstieg besitzt und dann einen zeitlich kontinuierlichen Abfall aufweist.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen XeCl-Laser mit Pulsverlängerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Stand der Technik
  • Bei der Herstellung von Dünnfilm-Transistoren, insbesondere für Flachbildschirme, werden Folien oder andere Trägermaterialen mit amorphen Halbleiterschichten insbesondere mit amorphem Silizium beschichtet. Da sich amorphes Silizium jedoch schlecht für die Herstellung von Transistoren eignet, muss das amorphe Silizium in Silizium mit einer polykristallinen Struktur umgewandelt werden. Hierzu wird das mit dem amorphen Silizium beschichtete Substrat üblicherweise mit Laserenergie behandelt. Das amorphe Silizium wird bei diesem sogenannten LTPS-Verfahren (Low Temperature Polysilicon Technology) aufgeschmolzen und verfestigt sich beim Abkühlen zu einer polykristallinen Schicht.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, für das Aufschmelzen der amorphen Schicht Excimerlaser (z. B. XeCl, 308 nm) zu verwenden. Diese Laser können mit der notwendigen großen Leistung betrieben werden. Grundsätzlich haben sich zwei Bearbeitungsverfahren herauskristallisiert, mit denen das amorphe Silizium so umgewandelt werden kann, dass eine hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleistet werden kann.
  • Bei dem sogenannten ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing) wird der homogenisierte und zu einer Linie geformte Laserstrahl gepulst mit einigen 100 Hz-Folgefrequenz über das mit amorphem Silizium beschichtete Substrat geführt. Der Laserstrahl wird an der Oberfläche der nur einige 10 bis etwa 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne das Substrat aufzuheizen und somit zu beschädigen. Bei dem ELA-Verfahren wird das rechteckige Strahlprofil des Excimer-Lasers in eine stabile homogene Linie mit einer Länge von bis zu etwa 0,5 m und einer Breite von einigen 100 γm umgewandelt. Die Energiedichte für diesen Prozess liegt abhängig vom Si-Schichtdesign zwischen etwa 300 bis 500 mJ/cm2 mit Prozeßfensterbreiten von einigen mJ/cm2. Bei diesem Verfahren wird die Schicht aus amorphem Silizium nicht komplett durchgeschmolzen. Das Kristallwachstum beginnt an der Phasengrenze der fest bleibenden unteren Siliziumschicht und setzt sich mit der Abkühlung in Richtung der oberen aufgeschmolzenen Siliziumschicht fort.
  • Beim sogenannten SLS-Verfahren (Sequential Lateral Solidification) wird im Gegensatz zum anfangs beschriebenen Linienstrahlverfahren das Substrat mittels Maskentechnik belichtet. Dabei wird das relativ kleine Belichtungsfeld schrittweise über das Substrat geführt. Bei diesem Verfahren wird die amorphe Siliziumschicht vollständig durchgeschmolzen. Die Kristallisierung beginnt daher nicht an der Phasengrenze der unteren Siliziumschicht, sondern an der seitlichen Phasengrenze des festen und des geschmolzenen Siliziums.
  • Die Güte der polykristallinen Siliziumschicht hängt immer von der Größe der entstandenen Siliziumkristalle ab. Es ist deshalb grundsätzlich das Ziel, möglichst große Kristalle über eine kontrolliert ablaufende Kristallisation zu erreichen und ein unkontrolliertes spontanes Auskristallisieren zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass sich mit dem SLS-Verfahren noch größere Kristalle erzeugen lassen, die eine hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleisten. Dieses Verfahren ist daher besonders gut für die Herstellung von Flüssigkristall-Displays mit hoher Auflösung und niedrigen Schaltzeiten geeignet. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass mit dem SLS-Verfahren behandelte Substrate oftmals nicht über die gesamte Fläche die gleiche Qualität aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen XeCl-Laser mit Pulsverlängerung so auszugestalten, dass die Pulsform des verwendeten Lasers optimiert wird.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1.
  • Nachteilig im Stand der Technik ist, daß XeCl-Laser eine Pulsform aufweisen, die im Allgemeinen aus zwei benachbarten Intensitätsspitzen bestehen (1).
  • Insgesamt ist also bisher das Problem der Anpassung der Pulsform für die oben beschriebenen Verfahren unbefriedigend gelöst.
  • Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Pulsform eines XeCl-Lasers so zu beeinflussen, damit der Annealingprozeß optimale Resultate liefert.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • In 1 ist die Pulsform eines XeCl-Lasers aufgezeichnet. Die y-Achse stellt die Intensität und die x-Achse die Zeit dar. Es ist sehr deutlich zu erkennen, daß die Pulsform zwei deutlich getrennte Peaks aufweist (bezeichnet als I und II). Die integrale Energie in den beiden Peaks kann leicht variieren, insbesondere dann, wenn das Lasergas des Excimerlasers gealtert ist. Beim LTPS-Annealing folgt die Wärmeabsorption in der Si-Schicht der Pulsintensität. Ist die Energie im Peak I hoch genug, wird bereits genügend Wärme in das Substrat gebracht um den Umwandlungsprozeß zu starten, bevor der eigentliche Puls beendet ist. Somit wird in diesem Fall der Peak II nicht mehr für den Umwandlungsprozeß benötigt. Ist hingegen die Energie im Peak I zu gering, dann wird das Substrat nur vorgewärmt und der zweite Peak II ist notwendig, um den Umwandlungsprozeß zu starten.
  • Wenn sich die Pulsform in Peak I von der hohen Energie zur geringen Energie ändert, dann kann sich ein instabiler Bereich ausbilden, sofern die Energie des Peak I für den Annealingprozeß zu gering ist. Der Bruchteil Tp des Pulses, der notwendig ist, um genügend Energie zu akkumulieren und die optimale Energiedichte (OED) ändern sich signifikant, wie in 2 dargestellt.
  • Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur Laserpulsverlängerung vor.
  • Besonders bevorzugt ist eine Pulsform, die einen steilen Anstieg hat und dann allmählich abfällt. Anschaulich ist dies in 3 gezeigt. In diesem Fall werden sich Tp und OED nicht so signifikant ändern, sofern sich die zeitliche Pulsform leicht ändert.
  • Zur Realisierung einer Pulsform nach 3 wird ein optischer Aufbau zur Pulsverlängerung entsprechend der 4 vorgeschlagen. Im Stand der Technik sind diverse Ausführungsbeispiele für Laserpulsverlängerer bekannt, z. B. US-Patent 6,389,045 B1 oder DE 196 04 064 A1 . Der ursprüngliche Laserpuls 1 wird durch eine Vorrichtung geführt, die aus einem Strahlteiler 2 mit der Transmission T und aus vier Spiegeln 4 besteht. Diese Vorrichtung teilt den Laserpuls 1 in eine Anzahl von Teilen, wobei der erste Teil ungehindert durchtritt, während die nachfolgenden Teile des Laserpulses verzögert werden und nach verschiedenen Verzögerungsperioden durch die Vorrichtung hindurchtreten und zu einer gewünschten Verlängerung der Pulsdauer führt. Der durch die beschriebene Vorrichtung beeinflusste Laserpuls verlässt die Vorrichtung als Laserpuls 3.
  • In 5 ist zu sehen, wie der optische Aufbau aus 4 den Laserpuls 1 beeinflusst. Der ursprüngliche Laserpuls 1 hat nach dem Durchlaufen des optischen Aufbaus das Aussehen 3. Diese Pulsform 3 ist schon sehr ähnlich zu der gewünschten Pulsform aus 3, wobei hier die Transmission T des Strahlteilers 2 und die Verzögerungszeit aufeinander optimiert wurden. Mit dieser Pulsform kann das Auftreten eines instabilen Prozeßbereiches vermieden werden.
  • Eine weitere Möglichkeit die Pulsdauer eines XeCl-Lasers zu beeinflussen ist die Verwendung der sogenannten „Spiker-Sustainer-Technik", die im Stand der Technik bekannt ist und auf die im Einzelnen nicht näher eingegangen werden soll. Eine ausführliche Beschreibung dieser Technik findet sich in folgendem Artikel: IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 1, No. 3, March 1989.
  • Mittels dieser Technik verlängerte Laserpulse können dem eingangs beschriebenen Problem entgegenwirken und stabile Prozeßbedingungen gewährleisten.
  • Eine weitere Möglichkeit die Pulsform eines XeCl-Lasers zu beeinflussen besteht darin, daß die HCl-Konzentration in der Lasergasmischung variiert wird. Durch diese Variation der Konzentration kann das Verhältnis Peak I/Peak II verändert werden. Die HCl-Konzentration muß gegenüber der Standardkonzentration von etwa 800 ppm um mindestens 40% herabgesetzt werden, damit sich das Verhältnis Peak II/Peak I deutlich verändert. Durch die Herabsetzung der HCl-Konzentration CHCl kann es zur Ausbildung eines dritten Peaks III kommen (siehe 6). Die in 6 angegebenen HCl-Konzentrationen stehen wie folgt zueinander: C3,HCl < C2,HCl < C1,HCl. Die HCl-Konzentration soll soweit verringert werden, bis das Verhältnis der Energieanteile (Peak II + Peak III/Peak I > 90%beträgt. Damit lassen sich die eingangs erwähnten Probleme beim Annealingprozeß umgehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6389045 B1 [0016]
    • - DE 19604064 A1 [0016]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 1, No. 3, March 1989 [0018]

Claims (3)

  1. XeCl-Laser, zur Belichtung einer Schicht insbesondere zur Manipulation der Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste zeitliche Pulsform eines Laserpulses durch eine Pulsverlängerungsvorrichtung geführt wird und damit eine zweite zeitliche Pulsform eine Flanke mit einem steilen Anstieg besitzt und dann einen zeitlich kontinuierlichen Abfall aufweist.
  2. XeCl-Laser, zur Belichtung einer Schicht insbesondere zur Manipulation der Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Spiker-Sustainer-Schaltung eine Pulsverlängerung erzeugt wird.
  3. XeCl-Laser, zur Belichtung einer Schicht insbesondere zur Manipulation der Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der HCl-Konzentration die Pulsform des Laserpulses und damit das Energieverhältnis der Pulsanteile zueinander beeinflußt werden kann.
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