DE60027820T2 - Vorrichtung mit einem optischen System zur Laserwärmebehandlung und ein diese Vorrichtung verwendendes Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen - Google Patents

Vorrichtung mit einem optischen System zur Laserwärmebehandlung und ein diese Vorrichtung verwendendes Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung sowie auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen unter Verwendung dieser Vorrichtung durch Laser-Kristallisation unter Wärmebehandlung einer dünnen, auf einem Substrat ausgebildeten Silizium-Dünnschicht, um eine Dünnschicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium in Silizium mit grober Körnung umzuwandeln.
  • STAND DER TECHNIK
  • Der Pixelbereich eines Fiüssigkristall-Anzeigefeldes wird aus Dünnschicht-Schalttransistoren aus einer Dünnschicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium auf einem Substrat aus Glas oder synthetisiertem Quarz gebildet. Eine Treiberschaltung zum Ansteuern der Pixeltransistoren ist in den meisten Fällen außerhalb des Feldes angeordnet, doch wenn man eine solche Treiberschaltung mit in dem Feld ausbilden würde, ließen sich enorme Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Flüssigkristallanzeige bei verringerten Herstellungskosten erzielen.
  • Da derzeit jedoch die aktive Schicht der Transistoren aus einer Silizium-Dünnschicht mit geringer Kristallinität hergestellt wird, sind die Leistungseigenschaften der Dünnschicht-Transistoren schlecht, wobei sich dies z.B. durch geringe Mobilität äußert, so daß es schwierig wird, eine integrierte Schaltung mit den erforderlichen Betriebseigenschaften mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistungsfähigkeit in das Anzeigefeld zu integrieren.
  • Man hat festgestellt, daß die Kristallinität von Dünnschicht-Silizium und die Trägermobilität in den daraus gebildeten Dünnschicht-Transistoren miteinander in Beziehung stehen, wie dies im folgenden beschrieben wird. Dünnschicht-Silizium für die Pixeltransistoren wird durch Lasererwärmung von amorphem Silizium für die Kristallisierung gebildet, wobei es sich im allgemeinen um Polykristallmaterial mit einer großen Anzahl von Gitterdefekten handelt, die auf die Korngrenzen der Dünn schicht aus kristallisiertem Silizium konzentriert sind und die die Trägermobilität in der aktiven Schicht der Dünnschicht-Transistoren in signifikanter Weise beeinträchtigen.
  • Zum Verbessern der Mobilität in den Dünnschicht-Transistoren werden solche Maßnahmen ergriffen, wie eine Reduzierung der Anzahl von Malen, die die Träger die Korngrenzen im Verlauf der Migration in der aktiven Schicht kreuzen sowie eine Verringerung der Konzentration der Gitterdefekte.
  • Techniken zum Verbessern der Kristallinität von Dünnschicht-Silizium beinhalten die Wärmebehandlung mit einem Laser, um eine höhere Mobilität für die Dünnschicht-Transistoren zu schaffen. Eine Aufgabe der Wärmebehandlung mit einem Laser besteht in der Vergrößerung der Kristallkörner sowie in der Verringerung von Gitterdefekten in den Korngrenzen der Silizium-Dünnschichten.
  • Versuche einer Wärmebehandlung mit einem Laser sind beschrieben worden von B. Rezeck in dem Jpn. Journal Appl. Phys. Band 38 (1999), Seiten L1083–L1084, 2. Teil, Nr. 10A, sowie von J. Carvalho et al. in Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 358, 1995, Seiten 915–920. Bei dem Laserlicht, das bei den in diesen Schriften beschriebenen Arbeiten verwendet wird, handelt es sich um die zweite Harmonische (Wellenlänge 532 nm), die durch einen Nd:YAG-Laser erzeugt wird.
  • 12 zeigt ein solches Beispiel einer Laser-Wärmebehandlungsvorrichtung, die ein optisches System für die Laser-Wärmebehandlung unter Verwendung der zweiten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers beinhaltet. Ein Oszillator 1 in dieser Vorrichtung verwendet die von einem Nd:YAG-Laser erzeugte zweite Harmonische (Wellenlänge 532 nm), wobei es sich um eine repräsentative gepulste Laserquelle von sichtbarem Licht handelt, das für die Wärmebehandlungsanwendung verwendet wird.
  • Ein Laserstrahl 2 von der Laservorrichtung wird durch eine Kondensorlinse 4 fokussiert und auf eine Dünnschicht 5 aus amorphem oder polykristallinem Silizium aufgestrahlt und erwärmt diese, wobei die Dünnschicht 5 zuvor über eine Basisschicht 6 auf einem Substrat 7 aufgebracht worden ist. Die amorphe Siliziumschicht 5 wird in dem bestrahlten Bereich durch die von dem gepulsten Laserstrahl 2 erzeugte Wärme geschmolzen, woraufhin diese abgekühlt wird, um in eine Siliziumschicht mit grober Körnung auf dem Substrat zu kristallisieren.
  • Gemäß den vorstehend genannten Berichten hat der herkömmliche Laserstrahl ein Profil, das sich an dem Aufstrahlungspunkt durch eine rotationssymmetrische Gaußsche Verteilung auszeichnet, so daß die Kristallkörner dazu veranlasst werden, bei dem Kristallisierungsvorgang des geschmolzenem Siliziums in Radialrichtung in einem rotationssymmetrischen Muster anzuwachsen, wie es in 13 gezeigt ist. Da die Dünnschicht aus polykristallinem Silizium nach der Wärmebehandlung mit dem Laser eine sehr schlechte gleichmäßige Ausbildung in der Ebene hat, ist von keinen Versuchen berichtet worden, Dünnschicht-Transistoren mittels dieser Technik herzustellen.
  • Zwischenzeitlich wird ein Excimer-Laser mit einer kürzeren Wellenlänge bei der Wärmebehandlung unter Verwendung eines linearen Strahlprofils verwendet. Dies basiert auf ein vollständig anderes Konzept als dem der Wärmebehandlung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge, die nicht kürzer ist als 330 nm. Da die Wärmebehandlung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von nicht weniger als 330 nm ein Kristallwachstum des geschmolzenen Siliziums innerhalb der Ebene hervorruft, nämlich in den horizontalen Richtungen, wie dies vorstehend beschrieben wurde, wird diese Wärmebehandlung zur Bildung von großen Kristallkörnern verwendet.
  • Da andererseits die Wärmebehandlung mit dem Excimer-Laser ein Kristallwachstum in Richtung der Schichtdicke (vertikale Richtung) hervorruft, wird sie lediglich zum Zweck der Verbesserung der gleichmäßigen Ausbildung der Schichtqualität innerhalb der Ebene nach der Wärmebehandlung mit dem Laser sowie zum Verbessern der Produktivität verwendet, jedoch nicht zum Zweck des Wachsenlassens von großen Körnern.
  • Ein optisches System zum Bilden eines linearen Strahlprofils aus einem von einem Excimer-Laser erzeugten Laserstrahl ist in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 11-16851 und 10-33307 offenbart. Der von dem Excimer-Laseroszillator emittierte Laserstrahl wird nach Durchlaufen einer zylindrischen Linsenanordnung, die in zwei einander rechtwinklig schneidenden Richtungen in einer zu der optischen Achse des Strahls rechtwinkligen Ebene angeordnet ist, durch eine Fokussierlinse konzentriert und durch eine Strahlhomogenisierungseinrichtung verarbeitet, die die Lichtstärkenverteilung in den beiden Richtungen ausgleicht, wobei dies zu konvergierenden Breiten führt, die in den beiden Richtungen verschieden sind.
  • Bei einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Laserstrahls, der einen rechteckigen Querschnitt hat, muß das Profil der Lichtstärkenverteilung optimiert werden, um Dünnschicht-Transistoren mit ausgezeichneten Eigenschaften herzustellen. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Lichtstärkenverteilungsprofil in Richtung der Strahlbreite eine besonders große Wirkung auf den Wachstumsvorgang von Kristallmaterial hat und die Verteilung in der Längsrichtung den Bereich bestimmt, in dem das Kristallmaterial wächst.
  • Die herkömmlichen optischen Systeme, die zum Bilden von linearen Strahlen verwendet werden, lassen es jedoch nicht zu, ein geeignetes Profil in Richtung der Breite auszuwählen. Auch aufgrund der Tatsache, daß der Strahl in beiden zueinander senkrechten Richtungen homogen gemacht wird, war es bisher nicht möglich, den linearen Strahl auf eine extrem geringe Breite zu konvergieren.
  • Die DE-A-38 18 504, die als relevantester Stand der Technik betrachtet wird, offenbart eine Vorrichtung mit einem optischen System, die einen Laseroszillator aufweist, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 330 nm bis 800 nm zu erzeugen, wobei das optische System eine Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung und eine Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteiung aufweist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung der vorstehend geschilderten Probleme erfolgt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Vorrichtung mit einem optischen System, die eine Lichtstärkenverteilung eines Lasers auf ein optimiertes Profil steuert, um für eine ausgezeichnete Kristallinität einer Dünnschicht mit groben Kristallkörnern und dann verminderte Gitterdefekte zu sorgen, wie dies zum Erzeugen von Dünnschicht-Transistoren mit hohem Leistungsvermögen erforderlich ist.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Vorrichtung mit einem optischen System zum Erzielen einer Laserstrahl-Formgebung mit extrem schmaler rechteckiger Formgebung, die zum relativen Abtasten des Strahls auf der Dünnschicht auf dem Substrat geeignet ist, sowie mit einer sehr steilen Lichtstärkenverteilung in der Abtastrichtung der Schichtoberfläche.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Vorrichtung für die Laser-Wärmebehandlung zum Erzielen einer ausgezeichneten Kristallinität von Dünnschicht-Silizium, wie dies zum Erzeugen von Dünnschicht-Siliziumtransistoren mit hohem Leistungsvermögen erforderlich ist.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Herstellen eines Dünnschicht-Halbleiters mit ausgezeichneter Kristallinität, wie diese zum Herstellen von Dünnschicht-Transistoren mit besseren Leistungseigenschaften erforderlich ist.
  • Eine Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die Möglichkeit einer Steuerung der Temperaturverteilung auf der Schicht und erzielt ein Laserstrahlfleckprofil für eine gleichmäßige Erwärmung.
  • Die Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann dazu führen, daß ein Teil des Laserstrahls mehrmals in der einen Richtung im Querschnitt des Laserstrahls reflektiert wird, und kombiniert den reflektierten Anteil sowie den gerade verlaufenden Anteil des Laser strahls, um dadurch eine gleichmäßige Lichtstärkenverteilung des Strahls zu bilden. Eine solche Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung beinhaltet ein Paar von reflektierenden Ebenen, die einander gegenüberliegend mit einem Abstand voneinander angeordnet sind.
  • Die Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist einen Wellenleiter mit einem Paar von reflektierenden Ebenen auf, die einander gegenüberliegend und parallel zu der Richtung angeordnet sind.
  • Die Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat die Funktion, den Strahl mit gleichmäßiger Lichtstärkenverteilung in der einen Richtung von der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung auf eine zu erwärmende Schicht auf dem Substrat zu projizieren. Ferner kann beim Projizieren des Strahls die Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung in einer derartigen Konfiguration ausgeführt sein, daß eine von der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung erzielte gleichmäßige Lichtstärkenverteilung in der einen Richtung mit einer geeigneten rechteckigen Formgebung auf die Schicht übertragen wird, um dadurch eine Formgebung in Längsrichtung des rechteckigen, auf die Schicht projizierten Strahls zu bestimmen. Für die Übertragung wird eine Übertragungslinse verwendet, wie z.B. eine sphärische Linse.
  • Die Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besitzt ferner eine Kondensorlinse, die zum Fokussieren des Lichts auf der Schicht verwendet wird. Für die Kondensorlinse kann eine zylindrische Linse verwendet werden. Bei dieser Linsenkonfiguration kann eine steile Lichtstärkenverteilung in Richtung der kürzeren Seite der rechteckigen Strahlformgebung auf der Schicht auf dem Substrat festgelegt werden.
  • Die Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Kombination aus einer Vielzahl von zylindrischen Linsen und/oder sphärischen Linsen beinhalten. Diese Konfiguration kann eine gleichmäßige Lichtstärkenverteilung in Richtung der längeren Seite der rechtwinkligen Strahlformgebung auf der Schicht auf dem Substrat bilden, und ferner kann auch eine steile Lichtstärkenverteilung in Richtung der kürzeren Seite gebildet werden, während ein Laserstrahl mit einer beliebigen gewünschten Formgebung aufgestrahlt wird.
  • Bei allen oder einem Teil der Vielzahl von zylindrischen Linsen oder sphärischen Linsen kann es sich um asphärische Linsen handeln. Die Lichtstärkenverteilung in Richtung der kürzeren Seite der rechteckigen Strahlformgebung auf der Schicht kann bis zu der aufgrund der Richtwirkung des Laserstrahls zulässigen Grenze steil ausgebildet werden.
  • Die Vorrichtung mit einem optischen System für eine Laser-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Messerkante aufweisen, die in der Nähe der Schicht parallel zu der längeren Seite der rechteckigen Strahlformgebung auf der Schicht angebracht ist. Die Messerkante ist in der Lage, die Strahlformgebung zu definieren und die Lichtstärkenverteilung steiler zu machen.
  • Bei der Erfindung verwendet die Vorrichtung einen gepulsten Laser zum Erwärmen einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschicht. Insbesondere kann die Vorrichtung für die Laser-Wärmebehandlung mit einer in Pulsbreiten-Erweiterungseinrichtung versehen sein, die einen von einem Oszillator emittierten, primären gepulsten Laserstrahl in mindestens zwei verschiedene optische Wege mit unterschiedlichen Weglängen teilt, woraufhin die Teilstrahlen auf einen einzigen Weg in Überlappung gebracht werden, um dadurch einen Bereich der Laserimpulszeit zu erweitern.
  • Eine solche Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung kann irgendwo zwischen dem Laseroszillator und einer Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung oder in manchen Fällen auch unmittelbar vor dem Substrat angeordnet sein. Da die Impulsbreite des Lasers in einfacher Weise gebildet werden kann, kann die Dauer des Kristallwachstums in Abhängigkeit von unterschiedlichen Dicken von Dünnschichten gesteuert werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem optischen System für die Laserkristallisierung beinhaltet ferner eine Bühne, auf der ein Substrat angebracht wird, auf dem die Dünnschicht ausgebildet worden ist. Im spezielleren findet die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen Anwendung, wobei das optische System den Laserstrahl mit rechteckigem Querschnitt, der auf die Oberfläche einer auf einem Substrat aufgebrachten Halbleiterschicht, wie z.B. Dünnschicht-Silizium, aufgestrahlt wird, abtastet sowie die Oberfläche in kontinuierlicher Weise erwärmt und abkühlt, um in der Halbleiterschicht während des Schmelz- und Kristallisierungsvorgangs grobe Kristallkörner zu erzeugen (siehe Verfahrensanspruch 7).
  • Die Halbleiterschicht kann aus einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gebildet sein, die auf das Substrat aufgebracht worden ist. Die durch dieses Verfahren hergestellten grobkörnigen Silizium-Dünnschichten können für die Herstellung von Dünnschicht-Transistoren zur Verwendung bei der Verarbeitung von visuellen Signalen in großem Umfang Anwendung finden.
  • Ein Laseroszillator bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 330 nm bis 800 nm; diese Wellenlänge erlaubt eine gleichmäßige Erwärmung des Dünnschicht-Siliziums in Richtung der Dicke der Silizium-Dünnschicht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ausführlicher beschrieben; darin zeigen:
  • 1A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 1B bis 1D Lichtstärkenverteilungen in x-Richtung und y-Richtung sowie Strahlquerschnittsformgebungen bei jedem Teil einer Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung und einer Ein richtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung bei dem in 1A dargestellten optischen System;
  • 2 eine schematische Darstellung der Konfiguration von kristallisierten Körnern von Dünnschicht-Silizium nach einer Laser-Wärmebehandlung bei Abtastung mit einem rechteckig ausgebildeten Laserstrahl, der auf eine auf einem Substrat ausgebrachte Silizium-Dünnschicht aufgestrahlt wird, unter Verwendung des optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3A eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung, das nicht bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung angewendet wird, und zwar insbesondere eine Darstellung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung;
  • 3B eine Darstellung eines Teils des optischen Systems gemäß 3A unter Darstellung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die y-Richtung;
  • 4A eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die x-Richtung;
  • 4B eine Darstellung eines Teils des optischen System gemäß der 4A zur Erläuterung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die y-Richtung;
  • 5A eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung, das nicht bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zur Erläuterung insbesondere der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die x-Richtung;
  • 5B eine Darstellung eines Teils des optischen Systems gemäß 5A zur Erläuterung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die y-Richtung;
  • 6 eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung, das nicht bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 7 eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung, das nicht bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 8A eine Darstellung eines optischen System für die Laser-Wärmebehandlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Erläuterung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die y-Richtung;
  • 8B eine der 8A ähnliche Darstellung zur Erläuterung der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung für die x-Richtung;
  • 9A und 9B graphische Darstellungen zur Erläuterung von Lichtstärkenverteilungen auf einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 10 eine Darstellung eines optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 11 eine Darstellung eines optischen System für die Laser-Wärmebehandlung, das nicht bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 12 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Laser-Wärmebehandlungsvorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung gemäß dem Stand der Technik; und
  • 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausbildung von Kristallkörnern einer Silizium-Dünnschicht, die durch Wärmebehandlung mit einem Laser mit einem rotationssymmetrischen Gaußschen Profil gemäß dem Stand der Technik gebildet ist.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration einer Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung mit einem optischen System beinhaltet einen Laseroszillator 1, eine Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung sowie eine Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung, wobei diese derart angeordnet sind, daß ein von dem Laseroszillator 1 emittierter Laserstrahl durch die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung sowie durch die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung hindurchgeht, wobei die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung derart positioniert ist, daß der Strahl auf der Oberfläche einer als Dünnschichtmaterial auf einem Substrat 7 aufgebrachten, zu kristallisierenden Silizium-Dünnschicht 5 konvergiert.
  • Der Laserstrahl 2, wie er von dem Laseroszillator 1 emittiert wird, hat typischerweise eine Gaußsche Verteilung in einer derartigen Weise, daß die Strahlformgebung PA an einer Strahleintrittsebene A der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung kreisförmig ist, wobei sowohl die Lichtstärkenverteilung XA in der x-Richtung in der Ebene A als auch die Lichtstärkenverteilung YA in der zu der x-Richtung orthogonalen y-Richtung in der Ebene A im wesentlichen in Form von Gaußschen Verteilungen vorliegen, wie dies in 1B gezeigt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung behält die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung das Gaußsche Profil der Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung bei und glättet die Lichtstärkenverteilung nur in der y-Richtung, und zwar unter Bildung einer rechteckigen Verteilung. Infolgedessen wird die Strahlformgebung PB an einer Austrittsebene B der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung in eine im wesentlichen rechteckige Formgebung umgewandelt, wie dies in 1C gezeigt ist.
  • Die Lichtstärkenverteilung XB in der x-Richtung in der Ebene B wird in identischer Weise wie die Lichtstärkenverteilung XA in der x-Richtung in der Ebene A beibehalten, und die Lichtstärkenverteilung YB in der y-Richtung in der Ebene B wird im wesentlichen mit der Formgebung eines Hutoberteils ausgebildet.
  • Der Laserstrahl, der die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung passiert hat, wird durch die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung mit gewünschter Größe in der x- und der y-Richtung erweitert oder unterdrückt, um einen Strahl mit rechteckiger Formgebung zu erzielen, wie er in 1D dargestellt ist und der auf die Silizium-Dünnschicht 5 auf dem Substrat 7 aufgestrahlt wird.
  • Genauer gesagt, es reduziert und/oder vergrößert die Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung die Abmessung des von der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung empfangenen Laserstrahls in der x-Richtung und/oder der y-Richtung, um dadurch auf der projizierten Schichtoberfläche eine rechteckige längliche Strahlformgebung zu bilden, die in der x-Richtung klein ist und in der y-Richtung groß ist.
  • Der Strahl mit einer solchen rechteckigen Formgebung wird auf die Silizium-Dünnschicht 5 aufgestrahlt, während ein Abtastvorgang relativ zu der Dünnschicht 5 erfolgt, um dadurch die Schichtoberfläche in kontinuierlicher Weise zu erwärmen. Wenn die Richtung der Breite für das Rechteck des Strahlquerschnitts als x-Rich tung definiert wird und die Längsrichtung als y-Richtung definiert wird (unter Bezugnahme auf die 1C und 1D sowie 2), so hat die Strahlformgebung PC auf der Schichtoberfläche C auf dem Substrat ein derartiges Profil, bei dem die Lichtstärkenverteilung XC in der x-Richtung in der Ebene C eine Reduzierung der Lichtstärkenverteilung XA in x-Richtung in der Ebene A darstellt, wobei die hohe Richtwirkung des Laserstrahls 2 aufrechterhalten bleibt, während die Lichtstärkenverteilung YC in der y-Richtung in der Ebene C im wesentlichen gleichmäßig gemacht ist.
  • Bei einem mit einem rechteckigen Laserstrahl zu bestrahlenden Zielobjekt kann es sich um eine Silizium-Dünnschicht handeln, die zuvor auf ein Substrat aufgebracht worden ist. Das Substrat 7 kann aus Glas- oder Keramikmaterial hergestellt sein, und es hat eine darauf ausgebildete Basisschicht aus Siliziumdioxid. Die Basisschicht aus Siliziumoxid kann unter Verwendung einer chemischen Abscheidungstechnik aus der Dampfphase (CVD-Technik) auf eine Dicke von etwa 200 nm ausgebildet werden.
  • Als Silizium-Dünnschicht kann amorphes oder polykristallines Silizium auf die Basisschicht auf eine Dicke von etwa 50 bis 100 nm, typischerweise 70 nm, durch eine chemische Niedrigdruck-Abscheidungstechnik aus der Dampfphase (LPCVD) oder durch eine andere Abscheidungstechnik aufgebracht werden.
  • Die Schicht kann auch aus einem anderen Material als Material auf Siliziumbasis hergestellt sein, beispielsweise aus amorphem Germanium, das in Form einer grobkörnigen kristallinen Germanium-Dünnschicht ausgebildet wird.
  • Bei einer Anwendung der Vorrichtung mit einem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Substrat 7 vorzugsweise auf einer beweglichen Bühne angeordnet. In diesem Fall wird die Dünnschicht-Oberfläche mit dem Laserstrahl bestrahlt, während eine Relativbewegung in der x-Richtung durch Bewegen der Bühne in bezug auf das feststehende optische System erfolgt. Alternativ hierzu kann ein Abtastvorgang des Laserstrahls von dem optischen System relativ zu dem Sub strat 7 auf einer stationären Bühne unter Verwendung einer geeigneten Abtasteinrichtung für die Abtastbewegung des Strahls erfolgen.
  • Wenn das auf das Substrat aufgebrachte Schichtmaterial 5 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, wird das Schichtmaterial 5 durch Absorption des Laserlichts erwärmt und in einem rechtwinkligen Bestrahlungsbereich, der dem Querschnitt des sich bewegenden Strahls entspricht, geschmolzen. Dabei wird kein Temperaturgefälle in Längsrichtung des rechteckigen Strahlflecks, d.h. in y-Richtung erzeugt, da die Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls 2 in dieser Richtung gleichmäßig ist, während ein ziemlich großes Temperaturgefälle nur in x-Richtung erzeugt wird.
  • In dem Maß, in dem sich der Strahlfleck von einem erwärmten Bereich weg bewegt, kühlt der geschmolzene Bereich allmählich ab, und das Kristallwachstum fährt dann entlang der Richtung des Temperaturgefälles fort, so daß sich ein eindimensionales Wachstum in der Bewegungsrichtung des Laserstrahls, d.h. in der x-Richtung, ergibt, wobei dies zur Bildung von Kristallkörnern mit einer Größe bis zu mehreren Mikrometern führt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, sind durch diese Laser-Kristallisierungsbehandlung gebildete Kristallkörner des polykristallinen Dünnschicht-Siliziums grob ausgebildet sowie in Richtung der kürzeren Seite des Strahlquerschnitts, bei der es sich um die Richtung des Kristallwachstums handelt, ausgerichtet, d.h. in Bewegungsrichtung der beweglichen Bühne ausgerichtet.
  • Der Vorgang des Kristallwachstums in der x-Richtung wird durch das Temperaturgefälle entlang der x-Richtung in der Schicht 5 stark beeinflußt, und zwar entsprechend der Lichtstärkenverteilung in der Breitenrichtung des darauf aufgestrahlten rechteckigen Strahlquerschnitts. In der Dünnschicht 5 auf dem Substrat durch den Laserstrahl erzeugte Wärme wird in das Substrat hinein gleichmäßig abgeführt.
  • Dies bedeutet, daß die Temperatur in der Dünnschicht auf dem Substrat entlang der x-Richtung gleichmäßig abnimmt. Das Kristallwachstum schreitet in horizontaler Richtung von einem Bereich, in dem die Schichttemperatur früher unter den Schmelzpunkt abgesunken ist, bis zu einem Bereich fort, in dem die Schichttemperatur später unter den Schmelzpunkt absinkt.
  • Außerdem wird das Kristallwachstum in der x-Richtung durch feine Körner gestoppt, die aufgrund von natürlicher Kernbildung bei sinkender Temperatur erzeugt werden. Auf diese Weise kann ein zufriedenstellendes, grober werdendes Kristallwachstum erzielt werden, vorausgesetzt, es kann ein Wachstum von ausreichend langen Kristallen in einer relativ langen Zeitdauer erfolgen, innerhalb der die natürliche Kernbildung stattfinden kann, wobei dies eine hohe Kristallwachstumsrate erforderlich macht.
  • Die Kristallwachstumsrate v in einem Bereich x steht in Beziehung zu dem Temperaturgefälle ΔT/Δx in dem Bereich gemäß der nachfolgend angegebenen Gleichung. V = kΔT/Δx.
  • Dabei bedeuten Δx die unendlich kleine Länge des Bereichs in der x-Richtung, ΔT die Temperaturdifferenz über die unendlich kleine Länge hinweg und k eine Proportionalitätskonstante. Ein steileres Temperaturgefälle zu der x-Richtung bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt in dem Bereich erhöht die Kristallwachstumsrate, so daß sich große Kristallkörner in der kristallisierten polykristallinen Silizium-Dünnschicht bilden können und dadurch eine hohe Kristallinität erzielt werden kann, die zum Herstellen der Dünnschicht-Transistoren mit hohem Leistungsvermögen erforderlich ist.
  • Da bei der Vorrichtung mit dem optischen System, wie diese vorstehend beschrieben worden ist, die Lichtstärkenverteilung in der Breitenrichtung des Strahlquerschnitts die hohe Richtwirkung des Laserstrahls aufrechterhalten kann, kann das Licht bis zu der aufgrund der Natur des Laserstrahls 2 bestehenden Grenze konzentriert werden, so daß sich das maximale Gefälle in der Lichtstärke auf der Dünnschicht 5 erzielen läßt. Dies ermöglicht die Steuerung einer jeden beliebigen gewünschten Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls unter dem maximalen Gefälle, so daß sich die Temperaturverteilung in der x-Richtung in der Schicht 5 auf dem Substrat steuern läßt.
  • Die Vorrichtung mit dem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Laser auf, der eine Schwingungswellenlänge in einem Bereich von 330 nm bis 800 nm hat. Licht mit einer Wellenlänge in diesem Bereich kann bei der Anwendung bei der Dünnschicht 5, die aus einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gebildet ist, in das Innere der Dünnschicht eindringen, und zwar aufgrund eines relativ niedrigen Absorptionskoeffizienten des amorphen Siliziums, so daß dann eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung erzielt wird.
  • Die horizontale Temperaturverteilung in der Silizium-Dünnschicht aufgrund der Bestrahlung mit dem Laser wird nur in der x-Richtung ausgebildet. Infolgedessen wird ein Bereich der aus der amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gebildeten Schicht 5 auf dem Substrat, der einem Bereich des Strahls mit einer Lichtstärke entspricht, die nicht geringer ist als ein bestimmter Pegel, über die gesamte Tiefe geschmolzen.
  • Vorzugsweise wird ein harmonische Schwingung erzeugender Festkörper-Lasergenerator als Laser verwendet, der eine Schwingungswellenlänge in einem Bereich von 330 nm bis 800 nm aufweist. Es können auch zweite Harmonische (532 nm) oder dritte Harmonische (355 nm) eines Nd:YAG-Lasers, zweite Harmonische (524 nm) oder dritte Harmonische (349 nm) eines Nd:YLF-Lasers oder zweite Harmonische (515 nm) oder dritte Harmonische (344 nm) eines Yb:YAG-Lasers verwendet werden. Die Grundwelle oder die zweite Harmonische eines Ti:Saphir-Lasers kann ebenfalls verwendet werden.
  • Harmonische Schwingungen erzeugende Festkörper-Lasergeneratoren können vorzugsweise verwendet werden, um effizientes Laserlicht in dem vorstehend genannten Wellenlängenbereich unter Verwendung einer kompakten Vorrichtung zu erzielen und einen stabilen Betrieb für eine lange Zeitdauer fortzusetzen. Die Verwendung von harmonischen Schwingungen erzeugenden Generatoren kann die amorphe oder polykristalline Silizium-Dünnschicht so gleichmäßig in Richtung der Dicke erwär men, daß grob wachsende Körner in der Schicht erzeugt werden, wobei eine hohe Kristallinität mit verminderten Gittereffekten in der Silizium-Dünnschicht in zuverlässiger Weise erzielt wird. Diese Vorrichtung kann somit Laserstrahlprofile schaffen, die in der Lage sind, eine Dünnschicht hoher Qualität in gleichmäßiger Weise zu bilden.
  • Ferner ist die Vorrichtung mit dem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, eine Siliziumoxidschicht, bei der es sich um eine Isolierschicht handelt, zusätzlich zu Halbleitermaterialien einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um dadurch die Qualität von dieser zu verbessern. Die Vorrichtung mit dem optischen System ist auch in solchen Fällen wie der Wärmebehandlung einer ITO-Schicht, bei der es sich um eine lichtdurchlässige elektrisch leitende Schicht handelt, mit einem Laser anwendbar, um die Leistungsfähigkeit von dieser durch Kristallisierung und Steigerung der Dichte zu verbessern. Ferner ist die Vorrichtung mit dem optischen System bei der Wärmebehandlung von verschiedenen Dünnschichten zum Verbessern der Leistungseigenschaften der Dünnschicht auf dem Substrat zum Absorbieren von Laserlicht anwendbar.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Bei einem optischen System für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung einen Block-Wellenleiter auf, der vollständig reflektierende Ebenen hat.
  • Die 3A und 3B zeigen ein Beispiel bei Verwendung eines keilförmigen transparenten Elements 31, das bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird. Bei dem keilförmigen Element 31 handelt es sich um einen sich verjüngenden transparenten Block mit der Formgebung eines Keils, wobei die Abmessung in der y-Richtung zur Spitze hin abnimmt, wie dies in 3A gezeigt ist, und die reflektierenden Ebenen sind in einer Distanz voneinander getrennt, die geringfügig schmaler ist als ein Durchmesser der Gaußschen Verteilung des primären Laserstrahls, während in der in 3B dargestellten Weise die Abmessung in der x-Richtung ausreichend breit und konstant bleibt, um den Laserstrahl hindurch zu lassen.
  • Das keilförmige Element hat die Funktion, nur einen in y-Richtung gelegenen äußeren Teil des von dem Laseroszillator 1 emittierten primären Laserstrahls 2, der auf die breitere Oberfläche des Blocks auftrifft, durch die beiden schräg verlaufenden Ebenen in y-Richtung des Blocks zu reflektieren. Somit wird nur der äußere Teil des Laserstrahls 2 von den peripheren reflektierenden Ebenen in bezug auf die y-Richtung reflektiert, und das an den Peripherien reflektierte Licht wird mit dem Licht von dem mittleren Bereich kombiniert, das zwischen den reflektierenden Ebenen an der Austrittsfläche an dem schmaleren Ende des keilförmigen Elements 31 hindurch geht, so daß eine im wesentlichen gleichmäßige Lichtstärkenverteilung gebildet wird. In der x-Richtung dagegen wird der Laserstrahl 2 unter Aufrechterhaltung seiner Richtwirkung abgegeben, da die Breite des keilförmigen Elements 31 größer ausgebildet ist als die Breite des Laserstrahls 2.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann man das Laserstrahlfleckprofil in einfacher Weise durch Laser-Wärmebehandlung erzielen, um eine kristallisierte Dünnschicht mit hoher Qualität in gleichmäßiger Weise in Richtung der Fläche zu bilden.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet die Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung eine Kondensorlinse 32 und einen Wellenleiter 33, bestehend aus einem Paar von reflektierenden Ebenen, die einander gegenüberliegend vor der Linse 32 angeordnet sind.
  • Der Wellenleiter 33 weist einen Lichtübertragungsblock mit zwei vollständig reflektierenden Ebenen auf, die einander gegenüberliegen.
  • Für die Kondensorlinse 32, die den von dem Oszillator emittierten Laserstrahl in den Wellenleiter 33 fokussiert, kann eine sphärische konvexe Linse oder eine zylindri sche konvexe Linse verwendet werden, um das Licht in y-Richtung in einen Wellenleiter zu konvergieren oder zu divergieren.
  • Bei einem Beispiel der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung handelt es sich um eine Kombination aus einer sphärischen Linse, die als Linse 32 verwendet wird, und einem schmalen lichtemittierenden Block, der als Wellenleiter 33 verwendet wird. Ein Paar breite Oberflächen, die zu der y-Richtung des Blocks rechtwinklig sind, werden als vollständig reflektierende Ebenen verwendet.
  • Der von dem Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl 2 wird durch die konvexe Linse 32 in den Block des Wellenleiters 33 eingeleitet, bei dem es sich um einen Block mit einem Paar von Oberflächen handelt, die rechtwinklig zu der y-Richtung parallel zueinander angeordnet sind, und aus diesem Grund wird der Laserstrahl 2, der durch die konvexe Linse 32 in den Block eingeleitet wird und in y-Richtung divergiert, auf dem Paar der Oberflächen vollständig reflektiert.
  • Infolgedessen wird der Laserstrahl 2 von den Peripherien in bezug auf die y-Richtung reflektiert, wobei das von den Peripherien reflektierte Licht und das Licht von dem mittleren Bereich am Ausgang des Wellenleiters 33 miteinander kombiniert werden, um dadurch eine im wesentlichen gleichmäßige Lichtstärkenverteilung zu bilden. In der x-Richtung dagegen wird der Laserstrahl 2 unter Aufrechterhaltung seiner Richtwirkung abgegeben, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Breite des Wellenleiters 33 größer ist als die Breite des Laserstrahls 2.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen optischen System kann in einer einfachen Konfiguration der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung das gewünschte Laserstrahlfleckprofil erzielt werden, um somit eine mit einer gleichmäßig groben Kristallisierung ausgebildete Silizium-Dünnschicht mit hoher Qualität in einfacher Weise zu bilden.
  • Beispiel 1
  • Bei diesem Beispiel, das nicht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird, weist die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung bei dem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung voneinander getrennte zylindrische Linsen 34 auf, die aus zwei halbzylindrischen Linsen bestehen, wobei es sich um zwei Hälften handelt, die man durch Teilen einer einzigen zylindrischen Linse in ihrem Zentrum erhält, wobei diese Hälften in der in 5A und 5B dargestellten Weise voneinander beabstandet sind.
  • Wie in 5A gezeigt ist, sind die getrennten zylindrischen Linsen 34 und 34, die entlang der y-Richtung voneinander getrennt sind, derart angeordnet, daß ihre Längsrichtung in x-Richtung angeordnet ist. Der von dem Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl wird in periphere Strahlungsflüsse, die von den halbzylindrischen Linsen gebrochen werden, sowie einen mittleren Strahlungsfluß getrennt, der zwischen den beiden halbzylindrischen Linsen geradlinig hindurch geht.
  • Die getrennten Strahlungsflüsse werden mit dem mittleren Strahlungsfluß am Eingang der Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung kombiniert, um dadurch eine im wesentlichen gleichmäßige Lichtstärkenverteilung zu bilden. In der x-Richtung dagegen wird der Laserstrahl 2 unter Aufrechterhaltung seiner Richtwirkung abgegeben, da die Breite der voneinander getrennten zylindrischen Linsen 34 größer ist als die Breite des Laserstrahls 2.
  • Bei der Einrichtung zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration läßt sich das Laserstrahlfleckprofil in einer derartigen Weise erzielen, daß eine gleichmäßige Dünnschicht mit hoher Qualität mit vermindertem Verlust an Laserlicht durch den Laser-Wärmebehandlungsvorgang gebildet werden kann.
  • Beispiel 2
  • Das zweite Beispiel zeigt eine Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung, die eine Übertragungslinse 41 beinhaltet, die bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird. Bei der Übertragungslinse 41 kann es sich entweder um eine Einzellinse oder um eine Kombination aus mehreren Linsen handeln. Das in 6 dargestellte Beispiel stellt die Übertragungslinse 41 in einem Fall dar, in dem eine einzelne konvexe Linse als Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung verwendet wird.
  • Wie in den 3A und 3B sowie 5A und 5B gezeigt ist, wandelt die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung die Formgebung des von dem Laseroszillator 1 emittierten Laserstrahls 2 in eine im wesentlichen rechteckige Formgebung um, während sie unter Beibehaltung der Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung in identischer Weise mit der Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls 2 die Lichtstärkenverteilung YB in der y-Richtung mit der Formgebung eines Hutoberteils ausbildet.
  • Die Übertragungslinse 41 als Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung bestrahlt die Schicht 5 auf dem Substrat mit dem Laserstrahl unter Reduzierung oder Erweiterung der Lichtstärkenverteilung des Strahls, die von der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung gebildet worden ist.
  • Die vorstehend beschriebene Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung ist in der Lage, den Strahl mit einer Lichtstärkenverteilung auszubilden, die in der y-Richtung gleichmäßig ist, und sie kann die aus einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht auf dem Substrat gebildete Schicht 5 mit dem Laserstrahl bestrahlen, der die Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung hat, sowie einen Abtastvorgang an dieser in x-Richtung ausführen.
  • Während der Laser-Wärmebehandlung läßt sich das Laserstrahlfleckprofil mit einer einfachen Konfiguration erzielen, um eine gleichmäßige Dünnschicht mit hoher Qualität zu bilden.
  • Beispiel 3
  • Als ein drittes Beispiel der Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung, die aus einer Einzellinse besteht, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht verwendet wird, kann eine Linse verwendet werden, die das Licht nur in einer Richtung konzentriert. 7 zeigt ein solches Beispiel einer Kondensorlinse, die eine zylindrische Linse aufweist. Bei der Kondensorlinse kann es sich entweder um eine Einzellinse oder um eine Kombination aus mehreren Linsen handeln.
  • Wie vorstehend beschrieben, wandelt die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung die Formgebung des von dem Laseroszillator 1 emittierten Laserstrahls 2 in eine im wesentlichen rechteckige Formgebung um, wobei sie unter Aufrechterhaltung der Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung in identischer Weise mit der Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls 2 die Lichtstärkenverteilung in der y-Richtung mit der Formgebung eines Hutoberteils ausbildet.
  • Gemäß diesem dritten Beispiel wird der mit der rechteckigen Formgebung ausgebildete Strahl nur in der x-Richtung der Lichtstärkenverteilung, die mit der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung gebildet worden ist, durch die Kondensorlinse 42 konzentriert, bei der es sich um die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung handelt, um dadurch die Schicht 5 auf dem Substrat mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
  • Da das Laserlicht von der die Kondensorlinse verwendenden Einrichtung zum Ausbilden einer Strahlformgebung bis zu einer Grenze konzentriert werden kann, die aufgrund der Eigenschaften des Laserstrahls 2 vorgegeben ist, wie z.B. die Richtwirkung in x-Richtung, kann das Gefälle der Laserlicht-Bestrahlungsstärke steil gemacht werden, und die aus einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gebildete Schicht 5 auf dem Substrat kann mit dem Laserlicht bestrahlt werden, so daß sich während der Laser-Wärmebehandlung das Laserstrahlfleckprofil zum Bilden einer gleichmäßigen Dünnschicht mit hoher Qualität mittels einer einfachen Konfiguration erzielen läßt.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Die 8A und 8B zeigen ein Ausführungsbeispiel des optischen Systems für die Laser-Wärmebehandlung, das bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung die Übertragungslinse des zweiten Beispiels sowie die Kondensorlinse des dritten Beispiels aufweist.
  • Der von dem Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl wird durch die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung hinsichtlich der Lichtstärkenverteilung in x-Richtung auf einer ähnlichen Lichtstärkenverteilung wie der Laserstrahl 2 gehalten, während die Lichtstärkenverteilung in y-Richtung mit der Formgebung eines Hutoberteils ausgebildet wird.
  • Der Laserstrahl, der mit der rechteckigen Formgebung ausgebildet worden ist, wird nur in x-Richtung der Lichtstärkenverteilung, die von der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung gebildet worden ist, von der Kondensorlinse 42 konzentriert, bei der es sich um die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung handelt.
  • Die Lichtstärkenverteilung in y-Richtung, die von der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung geschaffen worden ist, wird durch die Übertragungslinse 41, bei er es sich um die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung handelt, frei reduziert oder vergrößert, so daß die amorphe oder polykristalline Silizium-Dünnschicht 5 auf diese Weise mit dem Laserstrahl bestrahlt wird.
  • Da die vorstehend beschriebene Konfiguration die Ausbildung einer gleichmäßigen Lichtstärkenverteilung in der y-Richtung sowie ein Konzentrieren des Laserlichts bis zu einer Grenze ermöglicht, die durch die Art des Laserstrahls 2 vorgegeben ist, wie z.B. die Richtwirkung in x-Richtung, kann das Gefälle der Laserlicht-Bestrahlungsintensität steil gemacht werden, und die aus einer amorphen oder polykristallinen Silizium-Dünnschicht gebildete Schicht 5 auf dem Substrat kann mit dem Laserlicht bestrahlt werden, so daß das lineare Laserstrahlfleckprofil gebildet werden kann, um dadurch eine gleichmäßig grob kristallisierte Silizium-Dünnschicht mit hoher Kristallinität mittels des Laser-Wärmebehandlungsvorgangs zu bilden.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, kann es sich bei der Übertragungslinse 41 und der Kondensorlinse 42, die die Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung bilden, jeweils um eine Kombination aus einer Vielzahl von Linsen handeln, oder alternativ hierzu kann eine beliebige der Linsen als Übertragungslinse und Kondensorlinse dienen.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • Die 9A und 9B zeigen Lichtstärkenverteilungen in x-Richtung auf der Dünnschicht 5, wie diese im Fall einer sphärischen (zylindrischen) Linse und einer asphärischen Linse berechnet werden, die jeweils für die Kondensorlinse 42 der Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung bei dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zylindrische Oberfläche der zylindrischen Kondensorlinse 42 mit einer Formgebung ausgebildet, die von der zylindrischen Oberfläche abweicht, wobei diese zylindrische Linse als asphärische zylindrische Linse bezeichnet wird.
  • Unter der Annahme, daß die Kondensorlinse 42 eine Brennweite von beispielsweise 100 mm aufweist und ein Laserstrahl mit einer Breite von 40 mm in x-Richtung auf die Kondensorlinse 42 auftrifft, kann bei sphärischer Ausbildung der Kondensorlinse 42 der Strahl auf etwa 30 μm in der halben Strahlbreite auf der Schicht 5 auf dem Substrat konzentriert werden, wie dies in 9A gezeigt ist, obwohl der Strahl zum Rand hin breiter wird.
  • Wenn unter dieser Voraussetzung die Kondensorlinse 42 asphärisch ausgebildet ist, kann der Strahl auf etwa 25 μm in der halben Strahlbreite auf der Schicht 5 auf dem Substrat konzentriert werden, wie dies in 9B gezeigt ist, und die Ausbreitung des Strahls zum Rand hin kann unterdrückt werden; somit kann das Gefälle der Lichtstärkenverteilung größer gemacht werden als bei einer sphärischen Linse.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann das Gefälle der Laserlicht-Bestrahlungsintensität noch schärfer ausgebildet werden, um dadurch das Laserstrahlfleckprofil zum Bilden einer gleichmäßig grob kristallisierten Silizium-Dünnschicht mit höherer Kristallinität in einer einfachen Konfiguration mittels des Laser-Wärmebehandlungsvorgangs zu erzielen.
  • Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel die Verwendung der asphärischen Linse nur für die Kondensorlinse 42 veranschaulicht, lassen sich ähnliche Effekte auch unter Verwendung der asphärischen Linse für die andere Linse erzielen.
  • Ausführungsbeispiel 5
  • 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Messerkante 50 vor der Einrichtung 40 zum Ausbilden einer Strahlformgebung angeordnet ist.
  • Die Messerkante 50 ist in der Nähe der Schicht 5 auf dem Substrat angeordnet, um einen Teil des Strahls abzuschneiden. Durch Abschneiden eines Teils des auf die Schicht 5 auf dem Substrat auftreffenden Strahls in x-Richtung mit der Messerkante 50 kann der Laserstrahl mit einem unbegrenzten Gefälle der Lichtstärke auf die Schicht 5 auf dem Substrat aufgestrahlt werden.
  • Die Verwendung der vorstehend beschriebenen Messerkante 50 ermöglicht eine Ausbildung des Gefälles der Laserlicht-Bestrahlungsintensität mit einer unbegrenzten Steilheit, so daß das Laserstrahlfleckprofil zum Bilden einer gleichmäßigen Dünnschicht mit hoher Qualität in zuverlässiger Weise während der Laser-Wärmebehandlung geschaffen werden kann.
  • Ausführungsbeispiel 6
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um die Vorrichtung mit dem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung, bei der eine Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung 60 verwendet wird, die zwischen dem Laseroszillator und der Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung angeordnet ist, um die Impulsbreite eines gepulsten Lasers zu verlängern und zu steuern.
  • Bei der in 11 dargestellten Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung ist ein Strahlteiler 61 auf der optischen Achse des Laserstrahls von dem Laseroszillator angeordnet. Ein erster, zweiter, dritter und vierter vollständig reflektierender Spiegel 62, 63, 64, 65 befinden sich an den Ecken eines Rechtecks, so daß bei Auftreffen eines von dem Laseroszillator 1 emittierten Strahls auf dem Strahlteiler ein Reflexionsanteil auf diesen Spiegeln unter Bildung einer Schleife reflektiert wird und zu dem Strahlteiler 61 zurückkehrt, nachdem er auf dem letzten vollständig reflektierenden Spiegel 65 reflektiert worden ist.
  • Die Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung 60 ist aus dem einzelnen Strahlteiler sowie aus einer optischen Schleife gebildet, die drei oder mehr vollständig reflektierende Spiegel aufweist. Der Laserstrahl 2 wird durch den Strahlteiler 61 in zwei Teilstrahlen getrennt, wobei der eine Teilstrahl gerade in die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung eintritt.
  • Der andere Teil des auf dem Strahlteiler 61 reflektierten Teillaserstrahls wird nacheinander von dem ersten vollständig reflektierenden Spiegel 62, dem zweiten vollständig reflektierenden Spiegel 63, dem dritten vollständig reflektierenden Spiegel 64 und sodann dem vierten vollständig reflektierenden Spiegel 65 reflektiert, so daß eine Verzögerung auftritt, bevor er wieder auf den Strahlteiler 61 auftrifft, um mit dem geraden Teil des Laserstrahls, der den Strahlteiler 61 durchlaufen hat, gebündelt zu werden, und in die Einrichtung 30 zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung einzutreten.
  • Die Synthese mit dem verzögerten Strahl kann die Impulsbreite des Gesamtlaserstrahls erweitern, so daß sich die Dauer der Laserbestrahlung pro Impuls in Abhängigkeit von den Eigenschaften der auf dem Substrat aufgebrachten Silizium-Dünnschicht 5 ändern kann. Unter Verwendung der Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung kann somit die Zeitdauer pro Impuls an die optimalen Kornwachstumsbedingungen angepasst werden, um größere Kristallkörner des kristallisierten Siliziums zu erzielen.
  • Auf diese Weise beinhaltet die Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung solche Vorteile wie die Steuerung der gepulsten Wärmedauer des Kristallwachstumsvorgangs, so daß eine große Anzahl von Dünnschichten mit unterschiedlicher Dicke in einen Zustand mit hoher Kristallinität verändert werden kann, um dadurch eine Silizium-Dünnschicht mit gleichmäßig grober Kristallisierung zu schaffen.

Claims (9)

  1. Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung zum Wärmebehandeln einer auf einem Substrat (7) gebildeten Schicht (5) durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl (2), die einen gepulsten Laseroszillator (1) aufweist, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 330 nm bis 800 nm zu erzeugen, wobei das optische System folgendes aufweist: – eine Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung, um die Lichtstärkenverteilung des von einem Laseroszillator (1) emittierten Laserstrahls (2) im Querschnitt zu regulieren; – eine Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung, um eine rechteckige Strahlformgebung auf der Schicht (5) auf dem Substrat (7) zu bilden, – wobei die Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung eine gleichmäßige Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls in y-Richtung in dem zu einer optischen Achse des Laserstrahls (2) rechteckigen Strahlquerschnitt erzeugt, während in der x-Richtung, die zu der y-Richtung in dem Strahlquerschnitt rechtwinklig ist, die Lichtstärkenverteilung des Laserstrahls (2) im wesentlichen identisch zu der des Laserstrahls (2) in seinem von dem Laseroszillator (1) emittierten Zustand gehalten wird; – wobei die Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung die Abmessung des von der Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung empfangenen Laserstrahls in der x-Richtung und/oder in der y-Richtung reduziert und/oder vergrößert, um eine rechteckige Strahlformgebung zu bilden, die in der x-Richtung auf der Schichtoberfläche (C) klein ist und in der y-Richtung groß ist; – wobei die Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung einen Block-Wellenleiter (33) mit einem Paar von vollständig reflektierenden Oberflächen aufweist, die zu der y-Richtung rechtwinklig und zu der x-Richtung parallel sind; – wobei die Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung eine Übertragungslinse (41) aufweist, um den Laserstrahl mit der gleichmäßigen Lichtstärkenverteilung in der y-Richtung, der durch die Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung gebildet worden ist, auf die Dünnschicht (5) auf dem Substrat (7) zu übertragen, wobei die Übertragungslinse (41) das in der y-Richtung des rechteckigen Strahls längliche Profil auf die Schicht (5) projiziert; und – wobei die Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung ferner eine Kondensorlinse (42) aufweist, die nur die Lichtstärkenverteilung in der x-Richtung konzentriert, wobei die Kondensorlinse den Laserstrahl auf der Dünnschicht (5) bündelt.
  2. Vorrichtung mit einem optischen System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung eine Kombination aus einer Vielzahl von zylindrischen Linsen aufweist.
  3. Vorrichtung mit einem optischen System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System ferner eine Messerkante (50) aufweist, die dazu ausgebildet ist, daß sie in der Nähe der Dünnschicht (5) auf dem Substrat (7) angeordnet wird, um einen Teil des Laserstrahl-Querschnitts auf der Schicht (5) in x-Richtung abzuschneiden.
  4. Vorrichtung mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das optische System ferner eine Impulsbreiten-Erweiterungseinrichtung (60) aufweist, um einen von dem Laseroszillator (1) emittierten gepulsten Laserstrahl (2) in zwei Teile mit unterschiedlichen Weglängen zu teilen sowie die separierten Laserstrahlen einer Bündelung zu unterziehen und den gebündelten Strahl in die Einrichtung (30) zum Ausbilden einer Lichtstärkenverteilung oder die Einrichtung (40) zum Ausbilden einer Strahlformgebung einzuleiten.
  5. Vorrichtung mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Bühne, die zum Anbringen eines Substrats ausgebildet ist, wobei der von dem optischen System gelieferte Laserstrahl (2) mit rechteckigem Querschnitt dazu ausgebildet ist, über die Fläche der auf dem Substrat (7) gebildeten Schicht (5) in x-Richtung einen Abtastvorgang auszuführen und damit in konti nuierlicher Weise das Erwärmen und Kühlen der Schicht (5) auf dem Substrat (7) auszuführen.
  6. Vorrichtung mit einem optischen System nach Anspruch 5, wobei der Laseroszillator (1) ein Festkörper-Laseroszillator ist, der harmonische Schwingungen erzeugt.
  7. Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen mit einer Halbleiter-Dünnschicht (5) unter Verwendung der Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Abtasten der Oberfläche des Halbleiter-Schichtmaterials auf dem Substrat in x-Richtung mit dem von dem optischen System erzeugten Laserstrahl (2) mit rechteckigem Querschnitt, sowie – kontinuierliches Erwärmen und Abkühlen der Oberfläche, um in der Halbleiter-Dünnschicht (5) wachsende, grobe Kristallkörner zu erzeugen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Laseroszillator (1) der Vorrichtung mit einem optischen System für die Laser-Wärmebehandlung einen Laserstrahl (2) mit einer Wellenlänge im Bereich von 330 nm bis 800 nm erzeugt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Halbleiterschicht eine amorphe oder polykristalline Silizium-Dünnschicht (5) ist, die vorher auf das Substrat (7) aufgebracht worden ist.
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