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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme, um im Besonderen,
jedoch nicht ausschließlich,
Ausgangsprofile vorzusehen, welche sich zur Laserkristallisierung
von Halbleiterschichten, wie z.B. zur Kristallisierung von amorphem
Silicium zur Ausbildung von polykristallinem Silicium in Dünnschichtanordnungen,
eignen. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Vorrichtungen und
Verfahren zur Kristallisierung einer Halbleiterschicht unter Verwendung
eines solchen Lasersystems.
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Es
ist allgemein bekannt, dass die Anwendung von Laserkristallisierungsverfahren
die Herstellung von Niedertemperatur-Polysiliciumanordnungen, zum
Beispiel für
Displays und andere Schaltkreise, ermöglichen kann. Jedoch kann das
Laserkristallisierungsverfahren schlechte Ausbeuten hervorrufen,
was sich aus der schlechten Konstanz des Laserkristallisierungsverfahrens
ergibt.
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Ein
Faktor, welcher zu dieser schlechten Konstanz beiträgt, ist
die Verwendung eines einfachen, sogenannten Top-Hat-Strahlprofils.
Dieses Profil weist eine im Wesentlichen konstante Intensität über die
gesamte Breite des Profils auf. Wenn somit eine amorphe Siliciumschicht
durch Abtastung dieses Strahls kristallisiert wird, ist die amorphe
Siliciumschicht einer im Wesentlichen konstanten Intensität ausgesetzt.
Diese Intensität
muss in einen sehr kleinen Bereich fallen, damit das Kristallisierungsverfahren
erfolgreich ist. Der Grund hierfür
ist, dass die Notwendigkeit besteht, dass nahezu die gesamte Schicht
während
des Kristallisierungsverfahrens geschmolzen wird und kein komplettes
Durchschmelzen der amorphen Siliciumschicht erfolgen sollte. Während des
Abkühlens
wird ein Teil der Schicht, welcher ein komplettes Durchschmelzen
erfahren hat, in eine feinkörnige
Struktur rekristallisiert, was zu einer verringerten Qualität bei dem
Endprodukt führt. Die
Intensität
kann den Maximalwert überschreiten und
dadurch in Folge von Jitter in dem Ausgang der Laserquelle ein vollständiges Durchschmelzen
erreicht werden.
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Da
der Laserausgang rasterartig über
die zu behandelnde Probe geführt
wird, stellt ein einzelner Laserpuls, welcher die gewünschte,
maximale Intensität überschreitet,
den ersten Laserschuss, der auf einige Bereiche des Substrats gesetzt
wird, jedoch auch den letzten Laserschuss, welcher auf andere Bereiche
gesetzt wird, dar. Der Bereich des Sub strats, bei welchem dieser
Puls der letzte Schuss war, behält
diese feinkörnige
Struktur, da keine weitere Lasererwärmung vorgenommen wird.
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JP-A-11-214324,
auf welchem der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, offenbart ein
Lasersystem, welches ein, zwischen einer Laserquelle und einem Linsensystem
angeordnetes Dimmungsfilter aufweist. Das Filter hat transmissive
Teile und opake Teile, welche dazu dienen, den Eingang in das Linsensystem
zu modifizieren, so dass ein stufenartiges Intensitätsprofil
an dem Ausgang des Lasersystems vorgesehen wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Lasersystem zur Erzeugung eines zweidimensionalen
Laserausgangs vorgesehen, welches eine, einen zweidimensionalen
Ausgang erzeugende Laserquelle mit einem ersten Intensitätsprofil über die
zweidimensionale Fläche,
ein Linsensystem zur Modifizierung des Intensitätsprofils eines einfallenden
Lasereingangs und mit mehreren, in einem vorgegebenen, regelmäßigen Linsenabstand
angeordneten Linsenelementen, wobei das Linsensystem so ausgeführt ist,
dass es das erste Intensitätsprofil
modifiziert, um ein Top-Hat-Intensitätsprofil mit einer ansteigenden
Flanke und einer abfallenden Flanke, zwischen denen eine Breite
definiert ist, sowie mit einer im Wesentlichen konstanten Intensität über einen wesentlichen
Teil der Breite des Profils zu erzeugen, ein optisches Filter, welches
zwischen der Laserquelle und dem Linsensystem vorgesehen ist, wobei
das Filter transmissive Teile und opake Teile aufweist, wobei die
transmissiven Teile eine sich wiederholende Struktur mit einem,
dem Linsenabstand entsprechenden, regelmäßigen Abstand bilden, wobei
das optische Filter den Eingang in das Linsensystem so modifiziert,
dass der Ausgang des Linsensystems ein gewünschtes Intensitätsprofil
an dem Ausgang des Lasersystems erzeugt, aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die transmissiven Teile zumindest über die Breite des optischen
Filters abgeschrägt sind,
so dass der Ausgang des Linsensystems über einen Teil der Breite des
Profils ein sich verjüngendes Intensitätsprofil
aufweist.
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Durch
das optische Filter in dem Lasersystem gemäß der Erfindung kann der Ausgang
von der Laserquelle modifiziert werden, so dass der Ausgang des
Lasersystems, selbst bei einem konventionellen Linsensystem zur
Erzeugung eines Top-Hat-Profils, einen modifizierten Ausgang zur
nachfolgenden Laserkristallisierung aufweist.
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Das
optische Filter kann eine Platte mit einer Öffnung bzw. Öffnungen
oder eine strukturierte, dielektrische, über einem Substrat vorgesehene
Schicht bzw. Schichten aufweisen.
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Vorzugsweise
weist die Laserquelle eine Impulslaserquelle mit einem semi-Gaußschen Profil auf.
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Die
Erfindung sieht ebenfalls eine Laserkristallisierungsvorrichtung
mit einem Lasersystem gemäß der Erfindung
und Mitteln vor, um die Breite des gewünschten Intensitätsprofils
rasterartig über
die Oberfläche
der Probe zur Laserbehandlung zu führen. Das Abtasten kann durch
Anordnen der Probe auf einem beweglichen Träger erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – eine Vorrichtung
mit einem Lasersystem zur Erzeugung eines Top-Hat-Intensitätsprofils,
welches jedoch mit einem optischen Filter gemäß der Erfindung modifiziert
wurde;
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2 – das Gaußsche Intensitätsprofil
der Laserquelle und das Top-Hat-Profil
des unmodifizierten Systemausgangs;
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3 – das Top-Hat-Profil
an dem Ausgang des Systems von 1 bei Nichtmodifizierung
sowie ebenfalls alternative, gewünschte
Ausgänge;
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4 – ein erstes
Beispiel eines optischen Filters zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von 1; sowie
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5 – ein zweites
Beispiel eines optischen Filters zur Verwendung in der Vorrichtung
von 1.
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1 zeigt
eine Vorrichtung mit einem bekannten Lasersystem zur Erzeugung eines
zweidimensionalen Laserausgangs, der sich zur Kristallisierung einer
Halbleiterprobe eignet, in welches jedoch ein optisches Filter integriert
ist, um ein System gemäß der Erfindung
zu bilden. Die bekannten Teile des Systems werden zuerst beschrieben.
Das System 1 dient zur Bestrahlung einer Probe 2 mit
einem, ein gesteuertes Intensitätsprofil
aufweisenden Linienstrahl 4. Typischerweise weist die Probe 2 eine
Siliciumschicht auf einem Isolatorsubstrat auf. Der Linienstrahl 4 wird
rasterartig über
die Oberfläche
der Probe 2 geführt,
was durch Anbringen der Probe 2 auf einem beweglichen Träger (nicht
dargestellt) erreicht wird.
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Das
Lasersystem weist eine Laserquelle 6 auf, welche ein semi-Gaußsches Intensitätsprofil
aufweisen kann. Der Ausgang der Laserquelle ist durch eine zweidimensionale
Lichtfront dargestellt, wobei sich bei einer Dimension, einer normalen
Verteilung folgend, die Intensität
verändert,
wie durch Kurve 8 dargestellt, während, der anderen Di mension
folgend, die Intensität
konstant ist. Die Breite W des Strahls kann etwa 20mm betragen,
und die Tiefe (in die Seite oder aus dieser heraus in Relation zu 1)
kann eine ähnliche
Abmessung aufweisen.
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Zur
Laserkristallisierung ist ein Linienstrahl mit einer geringen Breite,
zum Beispiel 0,5mm, jedoch einer wesentlich größeren Länge erwünscht, um sich über das
gesamte Substrat der Halbleiterschicht zu erstrecken. Ebenso ist
es wünschenswert, das
normale Intensitätsprofil,
wie durch 8 dargestellt, zu modifizieren.
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Um
die Intensität
des Lichtsignals umzustellen und zu modifizieren, ist ein Homogenisator 10 vorgesehen,
welcher eine erste Anordnung von Linsen 12 sowie eine Fokussierlinse 14 aufweist.
Eine Einzelanordnung von Linsen 12 ist in 1 dargestellt,
wobei es sich jedoch tatsächlich
um Mehrfachanordnungen handelt, wie aus Nachfolgendem ersichtlich.
Die einzelnen Linsen sind durch zylindrische Linsen 16 dargestellt,
wobei es der Sinn des optischen Systems ist, verschiedene Segmente
des Intensitätsprofils
der Laserquelle 6 miteinander zu verbinden, um über die
Breite des Profils eine gleichmäßigere Laserintensität vorzusehen.
Die Funktion der ersten Linsenanordnung 12 ist daher, das
Intensitätsprofil
des Laserstrahls über
seine Breite zu ändern. Es
ist, obgleich in 1 nicht dargestellt, ebenfalls eine
weitere Anordnung von Linsen vorgesehen, um die Form des Laserausgangs
zu ändern.
Diese weitere Anordnung von Linsen ist durch eine senkrechte Linsenanordnung
dargestellt, welche zur Änderung des
Intensitätsprofils
in der Längsachse
des Laserausgangs zwecks Umbildung des Erfassungsbereichs des Laserausgangs
vorgesehen sein kann, um den erforderlichen Linienstrahl 4 abzugeben.
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Die
Fokussierlinse 14 fokussiert die Signale auf eine Öffnung 18,
und eine Projektionslinse 20 bildet schließlich den
umgebildeten Laserausgang auf der Probe 2 ab. Die Fokussieröffnung 18 stellt
den Rand des Linienstrahls scharf ein, und die Breite der Öffnung 18 kann
eingestellt werden, um verschiedene Linienstrahlbreiten vorzusehen.
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Der
Betrieb des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
Lasersystems ist in dem oben beschriebenen Umfang bekannt. Im Handel
erhältliche
Systeme sehen insbesondere spezifische, optische Konstruktionen
vor, um die Umformung von einem semi-Gaußschen
Intensitätsausgangsprofil
einer Laserquelle 6 in ein sogenanntes Top-Hat-Intensitätsprofil
zu ermöglichen.
Diese Intensitätsprofile werden
nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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2A zeigt
schematisch ein semi-Gaußsches
Ausgangsprofil der Laserquelle 6 in zwei Dimensionen. Dieses
Intensitätsprofil
ist über
die Zeit nicht völlig
kon stant, und es tritt selbst bei bekannten Lasern ein sogenannter
Jitter in der Fluenz auf. Die signifikanteste Jitterart bei den
nachfolgenden Erörterungen
ist der durch Pfeil 30 dargestellte, sogenannte Fluenzjitter.
Das Ergebnis von Fluenzjitter ist, dass die Spitzenintensität des Lasers
nicht konstant ist und innerhalb bestimmter Toleranzen unvorhersehbar
ansteigen oder abfallen kann. 2B zeigt das
gewünschte
Top-Hat-Intensitätsprofil,
welches gewöhnlich
in Laserkristallisierungsvorrichtungen verwendet wird. Wie schematisch
dargestellt, weist das Profil über
die Hauptbreite des Profils eine im Wesentlichen konstante Intensität auf, und
die Länge des
Strahls ist gegenüber
dem Ausgang der Laserquelle 6 in hohem Maße erhöht.
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In 3 ist
das Top-Hat-Intensitätsprofil
näher dargestellt.
Linie 32 zeigt die Abtastrichtung des Strahls über die
Oberfläche
der Probe. Somit stellt der Rand 34 eine ansteigende Flanke
des Intensitätsprofils
dar, während
der Rand 36 eine abfallende Flanke darstellt. Während der
Laserkristallisierung wird die Laserquelle 6 während der
relativen Bewegung zwischen dem Laserausgang und der Probe 2 mit
Impulsen beaufschlagt. Infolgedessen wird die Probe einer Anzahl
Laserbestrahlungsschüssen,
wie durch die Kreuze 38 in 3 dargestellt,
unterworfen. Jede Fläche
der Probe wird entlang der Oberseite des Top-Hat-Profils den in 3 dargestellten,
sieben Laserschüssen
bei einer im Wesentlichen konstanten Intensität unterworfen. Die Gesamtbreite
des Top-Hat-Profils kann etwa 500μm
betragen, und obgleich die ansteigende und die abfallende Flanke
vertikal sein sollen, können
diese typischerweise eine Breite von etwa 50μm einnehmen.
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Ein
Problem bei der Verwendung des Top-Hat-Profils, welches in der Vergangenheit
erkannt wurde, ist, dass das Profil keinen wesentlichen Fluenzjitter,
wie in 2A dargestellt, toleriert. Dieses
liegt daran, dass die Intensität
in dem konstanten Teil des Top-Hat-Profils äußerst kritisch ist. Bei der Laserkristallisierung
von amorphem Silicium zur Ausbildung von polykristallinem Silicium
ist die durch das Laserkristallisierungsverfahren vorgesehene Energie zum
Schmelzen der Schicht aus amorphem Silicium über nahezu deren gesamte Tiefe
(Dicke) erforderlich. Jedoch ist eine vollständige Schmelzung der Schicht
aus amorphem Silicium zu vermeiden, da durch das nachfolgende Abkühlen eine
feine, kristalline Struktur erzeugt wird. Die Laserkristallisierung soll
die größtmögliche Korngröße vorsehen,
und dieses wird erreicht, indem so nah wie möglich an eine vollständige Schmelzung
herangegangen wird, ohne jedoch diese tatsächlich zu erreichen. Somit
muss zwecks Erreichens der größtmöglichen
Korngröße die Intensität des Top-Hat-Profils
so ausgewählt
werden, dass sich diese so nah wie möglich am Maximalniveau befindet.
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Fluenzjitter
in dem Ausgang der Laserquelle 6 wirkt sich in einer Fluktuation
in dem Profil von 3 aus. Eine Zunahme der Intensität in dem Top-Hat-Profil
ist für
die Bereiche der Probe, welche ihren endgültigen Laserschuss aus dem
bestimmten Impuls der Laserquelle 6 aufnehmen, besonders
gravierend. Hierbei handelt es sich um Schuss 38a in 3.
Bei diesen Bereichen der Probe sieht eine Rekristallisierung eine
feinkörnige
Struktur vor, und es erfolgen keine weiteren Laserschüsse zur
Besserung dieser Situation.
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Bei
einem verbesserten Laserintensitätsprofil
wird bei der Fluenz zu der abfallenden Flanke hin ein Abwärtsgradient 40 (zwei
Alternativen 40a, 40b sind in 3 dargestellt)
angewandt.
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Dieses
stellt sicher, dass sämtliche
Flächen der
Probe der gewünschten
Anzahl Schüsse
ausgesetzt werden, so dass ausreichend Energie für ein Grobkornwachstum auf
der gesamten Probenfläche vorhanden
ist, die auf jeder Fläche
der Probe vorgenommenen, endgültigen
Schüsse
jedoch nicht genügend
Energie für
ein vollständiges
Durchschmelzen aufweisen, selbst wenn Fluenzjitter in dem Ausgang der
Laserquelle 6 auftritt.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses modifizierte Top-Hat-Profil vorgesehen, indem zwischen
der Laserquelle 6 und dem Homogenisator 10, wie
in 1 schematisch dargestellt, ein optisches Filter 9 eingesetzt
wird.
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Ein
Beispiel des optisches Filters ist in 4 dargestellt
und weist transmissive Teile (schraffierte Fläche 42) und opake
Teile (Rest 44 des Filters) auf. Das optische Filter kann
eine, mit einem Loch oder einer Anordnung von Löchern strukturierte, feste Platte
oder Folie aufweisen. Alternativ kann das Filter ein transmissives
Substrat, zum Beispiel Quarz, mit geeigneten Antireflexionsschichten
und strukturierten, dielektrischen Schichten zur Veränderung
der optischen Transmission aufweisen. Diese dielektrischen Schichten
können
unter Anwendung von CVD-Beschichtungstechniken oder durch Aufdampfung
aufgebracht und dann unter Anwendung konventioneller, photolithographischer
Techniken strukturiert werden. Das in 4 dargestellte,
optische Filter weist eine sich wiederholende Struktur 46 auf. Mit
dem Beispiel von 4 soll das Intensitätsprofil über die
Breite des Strahls modifiziert werden, zum Beispiel um das in 3 durch 40b gekennzeichnete,
modifizierte Top-Hat-Profil vorzusehen. Zu diesem Zweck entspricht
der Abstand der sich wiederholenden Struktur 46 dem Abstand
der einzelnen Linsen 16 in der Linsenanordnung 12 des
Homogenisators 10, welcher vorgesehen ist, um das Intensitätsprofil über die
Breite des Strahls zu modifizieren. Obgleich in 4 lediglich
vier sich wiederholende Teile 46 dargestellt sind, sind
tatsächlich
mehrere Wiederholungen entspre chend der Anzahl Linsenelemente 16 in
der Linsenanordnung 12 vorhanden. Jede einzelne Struktur 46 ist
so konstruiert, dass der Lichteingang in den Homogenisator 10 geändert wird,
so dass sich der Ausgang nicht mehr aus dem vorgegebenen Top-Hat-Profil,
sondern aus dem modifizierten Profil, wie in 3 dargestellt,
ergibt. Daher können
bereits vorhandene Linsensysteme mit Top-Hat-Profil verwendet werden,
wobei lediglich eine minimale Anpassung erforderlich ist, um die
Steuerung des Ausgangsprofils des kompletten Lasersystems zu ermöglichen.
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5 zeigt
eine mögliche
Ausführung
eines optischen Filters, welche beide Linsenanordnungen des Homogenisators 10 berücksichtigt,
um das Profil 40a oder 40b von 3 vorzusehen
und die Gleichmäßigkeit
dieses Profils entlang der Längsachse
des Strahls zu verbessern. Auf Grund der Zunahme der Breite Z verändert sich
das Profil von 40b zu 40a hin.
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In
jedem oben beschriebenen Fall muss das optische Filter zu dem Homogenisator
genau justiert sein, da die sich wiederholende Struktur des optischen
Filters unter Berücksichtigung
der in dem Homogenisator verwendeten Linsensysteme vorgesehen wird.
Im Falle eine Metalltafel mit transmissiven Öffnungen verwendet wird, ist
eine ausdehnungsarme Legierung vorzuziehen, um während der Laserbearbeitung
der Öffnungen
eine Verzerrung zu verhindern.
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Bei
Lesen der vorliegenden Offenbarung ergeben sich für Fachkundige
weitere Variationen und Modifikationen. Solche Variationen und Modifikationen
können
weitere Merkmale umfassen, welche von der Konstruktion, der Herstellung
und dem Einsatz von Lasersystemen und Laserkristallisierungsvorrichtungen
her bekannt sind und welche zusätzlich
zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen innerhalb des Schutzumfangs
der Patentansprüche
verwendet werden können.