FR2780736A1 - Procede de cristallisation d'un materiau semiconducteur et systeme de cristallisation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur (1) à l'aide d'un faisceau énergétique (F1) éclairant sur une surface (L x l) la couche de matériau semiconducteur (1). La cristallisation de la couche se fait par déplacement relatif du faisceau à la surface de la couche selon une direction déterminée (OX). Le faisceau présente un profil d'énergie selon la direction de déplacement (OX) tel qu'on a au moins un premier niveau d'énergie permettant d'obtenir une cristallisation à gros grains (Super Latéral Grow " SLG) à partir d'une phase amorphe ou cristalline à petits grains du matériau semiconducteur ainsi qu'un ou plusieurs deuxièmes niveaux d'énergie supérieurs au premier niveau d'énergie et situés vers l'avant de la zone éclairée par le faisceau selon le sens de déplacement (OX) du faisceau. Ce ou ces deuxièmes niveaux d'énergie permettent une fusionldissolution d'un matériau comportant à la fois des phases cristallines à gros grains et des phases cristallines à petits grains.Application Réalisation de couches de matériaux semiconducteurs cristallines à gros grains.
Description
PROCEDE DE CRISTALLISATION D'UN MATERIAU SEMICONDUCTEUR
ET SYSTEME DE CRISTALLISATION
L'invention concerne un procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur et un système permettant de mettre en oeuvre
ce procédé.
Plus particulièrement, il s'agit de réaliser des couches de semiconducteurs présentant une microstructure uniforme à gros grains pour la fabrication de transistors en couches minces à performances améliorées pour des écrans à cristaux liquides grande surface à matrice active en
polysilicium par exemple.
Le marché des dispositifs à cristaux liquides est en forte croissance (entre 10 et 20 % ces dernières années) et pourrait doubler d'ici l'an 2000. A une technologie pionnière basée sur le silicium amorphe (aSi), on a vu successivement l'introduction du silicium polycristallin (pSi): 1) dans une technologie pSi haute température > 600 C sur substrat de quartz, limité en taille; 2) dans une approche pSi basse température < 500 C permettant l'introduction de substrats en verre à bas coût et de grande surface. Seule cette dernière approche semble en mesure de surmonter les nouveaux obstacles que le marché semble vouloir imposer avec des dispositifs à 2000 * 1600 pixels au pas de 200 microns ou moins à l'orée de l'année 2005. On peut envisager des écrans d'une taille allant jusqu'à 40 pouces en 16:9 réalisés sur des plaques de verre dont un comité regroupant
grands fabricants dans le domaine a défini la taille à 960mm * 11 00mm.
Seule l'utilisation du pSi avec des mobilités d'électrons et de trous de 2 ordres de grandeur supérieures à celles du aSi pourrait répondre à cette densification d'intégration avec des circuits de commandes périphériques directement intégrés sur l'écran, des augmentations de taux
d'ouverture et de taille d'écran.
Le but est donc d'obtenir des couches de pSi les plus uniformes possibles, composées des plus gros grains, sans défauts internes. La maîtrise technologique d'une grosse taille de grains est une des clés
conditionnant l'obtention de hautes mobilités pour les porteurs de charges.
L'approche intuitive d'un dépôt chimique direct de pSi en phase vapeur (CVD) autour de 600 C [D. Pribat and ai " Science and Technology of Thin Film ", F.C. Mattacotta and G. Ottaviani Eds. (Word Scientific, Singapore 1995) p 293,359 (1995)] ne donne pas de résultats satisfaisants du fait d'une forte rugosité de surface perturbatrice d'une haute mobilité. On
a donc recourt à une cristallisation d'un précurseur amorphe.
Cette cristallisation peut être effectuée en phase solide au moyen d'un four, autour de 600 C, pendant plusieurs heures voire dizaines d'heures. Les grains obtenus peuvent être gros (jusqu'à 5 microns) mais malheureusement remplis de défauts intra-granulaires, cause de fortes dégradations électroniques du matériau et par voie de conséquence des
dispositifs réalisés.
De plus, pour une approche industrielle cette étape est fortement
coûteuse en temps de réalisation.
Comme conséquence, une voie de cristallisation par utilisation de laser pulsé à excimère [T. Sameshima MRS Symp Proc 71 (1986), 435] a
été étudiée et semble emporter actuellement les faveurs des industriels.
Les courtes impulsions (quelques dizaines de nanosecondes) créent de faibles pics thermiques peu ou pas dommageables pour les substrats. Les fréquences de travail allant à ce jour jusqu'à 300 Hz, raisonnables pour une approche industrielle, rendent ce type de laser très attractif. Une approche monoimpulsion (monoshot) semble a priori très élégante. Des essais ont été réalisés sur des surfaces 3 * 3 cm. Vu les fluences nécessaires à la cristallisation (300 à 500 mJ.cm'2) et l'augmentation de la taille des écrans, ces machines monoshot forte puissance ne semblent pas en mesure de traiter un échantillon en une seule passe, ils perdent donc une bonne partie de leur intérêt et sont d'un coût prohibitif. On s'oriente donc vers des irradiations multishots (c'est-à-dire balayage de la surface) avec des taux de recouvrement par un pinceau de lumière d'une largeur inférieure au mm et le plus long possible (de quelques cms à quelques dizaines de cms), idéalement d'une longueur égale à la plus petite des dimensions des plaques de verre utilisées pour éviter une
deuxième passe latérale et un recouvrement supplémentaire.
La famille des lasers à excimères se regroupe sur 5 longueurs d'onde différentes selon les gaz utilisés: F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF
(248 nm), XeCI (308 nm) et XeF (351 nm).
La figure 1 représente schématiquement une courbe donnant les tailles de grains d'échantillons de polysilicium cristallisés en fonction de la
densité d'énergie d'irradiation laser de l'échantillon.
On voit qu'en montant progressivement la densité d'énergie, dans un premier temps on obtient un matériau de petits grains à la taille plus ou moins constante en légère augmentation sur une gamme énergétique o10 importante (fusion partielle du matériau de plus en plus profonde) puis une brusque augmentation de taille de grain dans une fenêtre énergétique très étroite, zone dite de " SLG " (Super Lateral Grow), limite de fusion totale de l'épaisseur du matériau. Ce régime SLG correspond à la réminiscence de quelques germes disséminés à l'interface, à partir desquels la solidification de la phase liquide va s'effectuer. Lorsque l'énergie augmente encore, ces germes résiduels disparaissent par fusion et on obtient un polycristal à tout petits grains, inexploitable en terme de transport électronique (toute la couche fondue) (voir l'article " Cristallisation du silicium amorphe par laser
à excimères de D. PRIBAT et al publié dans les Annales de Physique, C1-
213, vol. 22, février/avril 1997).
Le problème est d'obtenir un matériau polycristallin à grains uniformes. Pour ce faire, on utilise en général un faisceau laser dont la répartition énergétique est très plate (faisceau <" top-hat ") (voir par exemple l'article récent de Kiyoshi YONEDA, dans " Conference record of the 1997 International Display Research Conference ", édité par le " Society for Information Display ", 1526 Brookhollow Drive, Santa A, CA 92705-5421,
page M-40).
L'inconvénient vient d'un marquage répétitif dû à la pente énergétique du front avant de l'impulsion. La zone irradiée sous ce front avant, aura une structure mixte et complexe (mélange de petits et gros grains). Après avancée du spot laser, l'énergie maximum du laser dans sa partie plate sera insuffisante pour refondre complètement cette zone d'o localement la présence d'une structure cristalline différente génératrice d'un marquage indélébile par cette méthode de cristallisation et ce profil
énergétique de faisceau.
Cet inconvénient sera mieux compris à la lecture des figures 2a à
2e et de leur commentaire.
En effet, les impulsions utilisées ont un profil énergétique tel que
représenté en figures 2a et 2b.
La figure 2a représente une couche 1 en matériau semiconducteur amorphe éclairé par un faisceau F1 fourni par une source lumineuse S1. La surface éclairée par le faisceau a pour dimensions I x L. La figure 2b représente le profil énergétique de l'impulsion mesurée selon la direction OX (selon la dimension 1). Son niveau supérieur d'énergie
correspond à la fusion du semiconducteur amorphe Ta.
La figure 2c représente en coupe la couche de semiconducteur 1 et met en évidence l'action de l'impulsion lumineuse sur le matériau semiconducteur. L'impulsion éclaire une zone Zl. Le document de D. PRIBAT et ai publié dans des " Annales de Physique " C1-213, vol. 22, février/avril 1997 décrit le problème de cristallisation d'un matériau
semiconducteur amorphe sous l'action d'une telle impulsion.
Dans la zone SLG1, le matériau originellement amorphe est fondu exactement sur toute l'épaisseur et la cristallisation donne lieu à la formation d'un matériau cristallisé homogène à gros grains. Dans les zones zl et z2, après fusion, la cristallisation donne lieu à un matériau cristallisé contenant à la fois des gros grains et des petits grains en raison du fait que dans les flancs avant et arrière de l'impulsion, on est en présence d'un gradient d'énergie. Ces zones sont donc de qualités cristallines médiocres et hétérogènes. Après cette dernière impulsion, si on déplace le faisceau lumineux selon I'axe OX et qu'on éclaire une surface qui chevauche la surface
éclairée précédente, on a une configuration représentée en figures 2d et 2e.
L'impulsion lumineuse de la figure 2d est décalée par rapport à l'impulsion de la figure 2b. Elle éclaire une zone Z'1. Cependant, I'énergie de I'impulsion est insuffisante pour refondre jusqu'à l'interface le matériau déjà cristallisé car la chaleur latente de transformation du polycristal est plus élevée que celle de l'amorphe. La zone Z1 reste donc pratiquement intacte et en particulier la zone z2 de microstructure différente. Dans ces conditions, seule la zone SLG'1 donne lieu à une cristallisation à gros grains (voir figure 2e). La zone z'2 devient similaire à la zone z2. On voit donc qu'après traitement par une succession d'impulsions lumineuses déplacées à la surface de la couche de matériau semiconducteur, celle-ci présentera une alternance de zones telles que SLG1 et SLG'1 en matériau semiconducteur à gros grains et de zones telles que z2 et z'2 en matériau hétérogène gros grains/petits grains. Cette hétérogénéité de microstructure est extrêmement préjudiciable à l'uniformité des caractéristiques des transistors qui seront ensuite réalisés dans ces couches. A un marquage périodique dont l'origine a été précédemment expliquée pourra se superposer un marquage aléatoire dû aux instabilités pulse à pulse du laser (instabilité temporelle). Les stabilités spatiales des lasers excimère dans l'état de l'art actuel (3ème génération de laser) à + 5 % sont insuffisantes pour éviter ce type de
marquage dans une approche industrielle, grande surface irradiée (K.
YONEDA, State of the art temperature processed Poly-Si TFT Technology,
SID Toronto 09/1997).
Même ramenée à + 2 % par des systèmes optiques d'homogénéisation (voir K. YONEDA déjà cité), ces écarts énergétiques se traduisent par des variations de taille de grains aléatoires préjudiciables à la régularité des propriétés électroniques de composants réalisés à partir de ce matériau. L'invention concerne donc un procédé permettant d'obtenir une
couche de semiconducteur cristallisée uniformément à gros grains.
L'invention concerne donc un procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur à l'aide d'un faisceau énergétique éclairant sur une surface (L x 1) la couche de matériau semiconducteur, la cristallisation de la couche se faisant par déplacement du faisceau à la surface de la couche selon une direction déterminée, caractérisé en ce que ledit faisceau présente un profil d'énergie selon la direction de déplacement tel qu'on a au moins un premier niveau d'énergie permettant d'obtenir une cristallisation à gros grains (de type Super Latéral Grow SLG) à partir d'une phase amorphe ou cristalline à petits grains du matériau semiconducteur ainsi qu'un ou plusieurs deuxièmes niveaux d'énergie supérieurs au premier niveau d'énergie et situés vers l'avant de la zone éclairée par le faisceau selon le sens de déplacement du faisceau, et permettant une fusion/dissolution d'un matériau comportant à la fois des
phases cristallines à gros grains et des phases cristallines à petits grains.
L'invention concerne également un système de cristallisation d'une couche en matériau semiconducteur comprenant une source lumineuse éclairant, à l'aide d'un faisceau lumineux, une face de la couche de matériau semiconducteur ainsi que des moyens pour déplacer selon une direction et un sens déterminés le faisceau lumineux par rapport à la couche de matériau semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens entre la source et la couche de matériau semiconducteur pour induire un
gradient d'énergie du faisceau.
Les différents objets et caractéristiques apparaîtront plus
clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans
les figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 2e, des techniques de l'art connu et décrites précédemment; - les figures 3a à 3h, le procédé de réalisation selon l'invention; - les figures 4a et 4b, une variante du procédé des figures 4a à 4h; - les figures 5a à 5f, un fonctionnement du procédé de l'invention avec des impulsions instables; les figures 6a à 6c, des variantes de profils d'énergies d'une impulsion lumineuse utilisable dans le cadre de l'invention; - la figure 7, un système mettant en oeuvre l'invention; - la figure 8, une comparaison du fonctionnement du système de l'invention avec des impulsions de gradients d'énergies différents. Pour éliminer, par fusion totale, les zones cristallisées défectueuses telles que z2 et z'2 de la figure 2e, on prévoit d'éclairer la couche de matériau semiconducteur à l'aide d'un faisceau présentant un
gradient d'énergie selon le sens de déplacement OX du faisceau.
Chaque impulsion lumineuse a donc un profil d'énergie tel que représenté en figure 3a. Elle comporte au moins un niveau d'énergie permettant une fusion/dissolution d'un matériau cristallin pour le transformer en matériau cristallin homogène à petits grains. Sur la figure 3a, il s'agit des niveaux d'énergie compris entre e3 et e4. Elle comprend également au moins un niveau d'énergie permettant la fusion/dissolution d'un matériau cristallin à petits grains (de dimension 50 nm par exemple) pour le transformer en matériau cristallin à gros grain (de dimensions 1 pm par exemple). Sur la figure 3a, il s'agit des niveaux d'énergie compris entre el et e2. Sur les figures 3a à 3h on a utilisé des impulsions présentant une variation d'énergie linéaire selon la direction de déplacement du faisceau par rapport à la couche de matériau semiconducteur. Mais les impulsions pourraient avoir tout autre forme, telle que par exemple celle représentée en figure 6a, pourvu qu'elle présente un niveau d'énergie compris entre e3 et
e4 et un niveau d'énergie compris entre el et e2.
En se reportant aux figures 3a à 3h, on va maintenant décrire le
fonctionnement du procédé de l'invention.
On supposera par exemple que la couche de matériau semiconducteur 1 est du silicium amorphe, préalablement déposé par une méthode connue de l'homme de l'art et contenant un taux d'hydrogène résiduel compatible avec l'irradiation laser (typiquement de l'ordre de 1 à 2 %). L'impulsion lumineuse dont le profil d'énergie a la forme représentée
en figure 3a est transmise à la couche 1.
La gamme de niveaux d'énergie eO-el permet de transformer en polycristal à gros grains le silicium amorphe de la couche 1. Ceci est représenté par la zone a2 sur la figure 3b; cette figure schématise en coupe la structure du matériau obtenu après irradiation. En d'autres termes, cette gamme d'énergie permet de fondre exactement et jusqu'à l'interface, la couche 1. Dans ce cas particulier, la solidification du liquide s'effectue à partir de germes cristallins subsistant à l'interface liquide/substrat (ces germes cristallins ont été synthétisés préalablement par cristallisation explosive, ainsi que décrit dans l'article déjà cité de D. PRIBAT et al.) et l'on est dans le régime de croissance de type a SLG ", qui a été décrit précédemment. Typiquement et sans que ces valeurs soient limitatives, la gamme d'énergie eO-el est située aux alentours de 400-415 mJ/cm2, pour une épaisseur de couche de semiconducteur de l'ordre de 80 à 100 nm. La pente du profil énergétique est par exemple de 20 %, mais ceci n'est pas limitatif. Les niveaux d'énergie supérieurs à el donnent lieu à la fusion
complète de la couche 1, avec disparition des germes cristallins à l'interface.
La solidification de la phase liquide s'effectue maintenant par nucléation homogène au sein de ce même liquide et le matériau obtenu après cristallisation présente une microstructure à petits grains (voir figure 1). Ceci est schématiquement représenté par la zone a3 sur la figure 3b. Enfin, on peut aussi voir sur cette même figure 3b que les zones correspondant aux flancs du profil énergétique donnent naissance à une structure mixte, composée de petits et gros grains (zones al et a4), phénomène qui a été
expliqué précédemment.
En figures 3c et 3d, le faisceau énergétique a été translaté (par des moyens non représentés) à la surface de la couche de semiconducteur, dans le sens OX, de telle façon que le pas d'avancée soit sensiblement égal ou inférieur à la projection de la zone énergétique comprise entre e2 et e3, c'est-à-dire d'une distance correspondant à a6 sur la figure 3d. La gamme de niveaux d'énergie comprise entre e2 et e3 permet de transformer en polycristal à gros grains le matériau à petits grains qui a été synthétisé lors de la première irradiation (région a3 de la figure 3b). En d'autres termes, cette gamme d'énergie permet de fondre exactement jusqu'à l'interface la couche de matériau à petits grains. De même que décrit précédemment, dans ce régime énergétique, il subsiste à l'interface liquide/substrat quelques cristallites non fondues, à partir desquelles la solidification pourra s'effectuer. On notera que, du fait que la chaleur latente de fusion du silicium amorphe est plus faible que celle du silicium cristallin, la gamme d'énergie e2-e3 est plus élevée que la gamme eO-el qui permettait d'obtenir le même effet de cristallisation à gros grains dans le silicium amorphe de départ. On notera aussi que les zones eO-el et e2-e3 sont énergétiquement
disjointes.
On va maintenant expliquer en détails les différentes microstructures obtenues sur la figure 3d, en fonction de l'énergie du faisceau et de la microstructure préexistante, c'est-à-dire créée lors de la première irradiation. La région à gros grains synthétisée lors de la première irradiation (région a2 de la figure 3b) n'est pas refondue en totalité, car la densité d'énergie n'est jamais suffisante en-dessous de e2 (on rappelle ici que le seuil de fusion de l'épaisseur totale du matériau polycristallin est e2); il y a fusion superficielle, mais la microstructure du polycristal reste inchangée, car lors de la resolidification, il y a épitaxie du liquide sur la partie non fondue du grain sous-jacent et pratiquement la taille des grains reste invariante. La région notée a5 sur la figure 3d correspond à l'irradiation en-dessous de e2 de la couche de polycristal à petits grains. Il y a fusion partielle et recroissance à partir des cristallites originelles. Durant cette recroissance, certains grains vont croître plus vite (en fonction de leur orientation cristallographique) et on obtient une microstructure stratifiée, avec des grains plus gros en surface. La zone a6 correspond au régime
" SLG " pour le polycristal à petits grains (entre e2 et e3) tandis que au-
dessus de e3, il y a encore refusion totale du polycristal à petits grains (y compris les germes interfaciaux) et ensuite, solidification par nucléation homogène, ce qui de nouveau conduit à un matériau à petits grains. On notera que la région a4 de la figure 3b a été entièrement refondue et
transformée en matériau à petits grains.
La figure 3f schématise la situation après que le faisceau énergétique ait été translaté d'un pas supplémentaire; pour les raisons avancées précédemment, les parties a5 et a6 de la figure 3d ne sont que partiellement fondues et leur microstructure n'évolue pas de façon significative. Par contre, le matériau à petits grains situé au-delà de la zone a6 sur la figure 3d est maintenant éclairée entre e2 et e3 et cristallise donc en polycristal à gros grains. La zone a6 de la figure 3d s'est donc agrandie, pour donner la zone a7 de la figure 3f. De plus, la zone de marquage du flanc avant de l'impulsion laser de la figure 3d a été refondue et il n'y a par
conséquent plus de problème de marquage.
Finalement, la figure 3h schématise la situation après une quatrième impulsion, encore décalée d'un pas supplémentaire. On voit que la zone à gros grains a7 de la figure 3f s'est encore agrandie, se transformant en zone a8. On peut donc obtenir en utilisant un faisceau à rampe énergétique un matériau homogène à gros grains, et ce, à partir de la deuxième impulsion. En pratique, pour réaliser des circuits électroniques, on commencera à utiliser le matériau polycristallin sur la plaque de verre seulement à partir du début de la zone a6, la zone a5 introduisant une
hétérogénéité de taille de grain.
On notera ici que le principe de l'invention peut aussi s'appliquer à un matériau de départ non plus amorphe, mais polycristallin ou encore microcristallin; le principe, qui dans ce cas est plus simple, est décrit sur les figures 4a et 4b. De même que ci-dessus, la gamme d'énergie nécessaire à transformer le matériau poly ou microcristallin en matériau à gros grains est comprise entre e2 et e3. Après la première impulsion (figure 4a), le matériau de départ est transformé en matériau à gros grains dans la région b2 correspondant à la plage énergétique e2- e3. L'énergie est juste suffisante pour fondre totalement l'épaisseur de matériau originel, en conservant toutefois quelques germes à l'interface, à partir desquels la cristallisation s'effectue (régime " SLG "). Dans les régions bl et b4 (flancs de l'impulsion), il y a fusion partielle et l'on obtient après solidification une structure stratifiée, avec des grains plus gros en surface. Enfin dans la région b3, la fusion a été totale, faisant disparaître les cristallites résiduelles à l'interface, la solidification s'effectue par nucléation homogène en phase
liquide et l'on obtient un matériau homogène à petits grains.
Sur la figure 4b, le faisceau a été translaté d'un pas sensiblement égal ou inférieur à b2. On voit que la zone à petits grains éclairée dans une gamme énergétique comprise entre e2 et e3 cristallise en matériau à gros grains, tandis que la zone b4 défectueuse a été intégralement refondue, laissant place à du matériau homogène à petits grains. La zone à gros
grains s'est donc agrandie et le marquage " flanc avant " a disparu.
L'utilisation d'une rampe énergétique permet aussi, dans une certaine mesure, de pallier les dérives en énergie des impulsions délivrées par le laser et d'asservir le fonctionnement du laser et/ou du système de balayage du faisceau (ou bien de la table mobile X-Y supportant les plaques à cristalliser). Ceci sera mieux compris à la lecture des figures 5a à 5f et de
leurs commentaires.
Tout d'abord, en référence à la figure 1, rappelons que la transition entre matériau " SLG " et matériau à petits grains est très raide (la partie droite de la courbe de la figure 1 tombe très rapidement), phénomène qui fournit un contraste optique facilement exploitable. En d'autres termes, la transition de phase entre le matériau à gros et le matériau à petits grains produit un marquage sur la plaque en cours de cristallisation, qui peut être suivi optiquement, à l'aide par exemple d'une caméra vidéo et d'un écran
cathodique ou autre.
On a représenté sur les figures 5a, 5b et 5c une impulsion normale et son impact sur la couche en cours de cristallisation en vue de coupe (figure 5b) et en vue de dessus (figure 5c). On constate dans la pratique que la frontière FR1 entre la zone en matériau à gros grains ZO et la zone en matériau à petits grains Z1 est très nette et s'étend sur quelques
microns à peine, à l'échelle microscopique.
Sur la figure 5d, on a représenté, après un déplacement d'un pas, l'impulsion normale In1 en traits pointillés, ainsi que l'impact qu'elle aurait dû fournir sur la couche (zone SLGn normale); on a aussi représenté une impulsion avec un niveau moyen d'énergie plus faible (en trait plein) représentant une impulsion réelle Ir qui fournit en réalité une zone SLGn décalée et donc laisse dans la couche une zone Z2 en matériau à petits grains située entre la zone Z0 en matériau à gros grains et une nouvelle zone Z3 en matériau à gros grains. Supposons maintenant que l'on ait préalablement inscrit une marque MAR sur l'écran d'observation en temps réel, marque correspondant à l'alignement de la frontière qu'on aurait dû obtenir entre le matériau à gros grain et le matériau à petits grains. Le marquage FR2 produit par l'impulsion à plus faible énergie moyenne ne sera plus aligné avec la marque fixe sur l'écran d'observation et le décalage D1 (voir figure 5f) est parfaitement mesurable sur l'écran. Cette observation peut être faite par un système de traitement d'image. Il suffit donc, connaissant D1, de commander le recul du spot laser d'une quantité D1 sur l'impulsion suivante pour corriger le " trou " de cristallisation en matériau à petits grains qui avait été laissé en cours de balayage. On a ainsi introduit une boucle de contre réaction fournissant un signal de contre réaction qui permet d'asservir en temps réel le balayage du faisceau. Cet asservissement peut également conduire à modifier le pas de déplacement de la table mobile. On note que l'on pourrait aussi asservir la tension de
décharge du laser afin de corriger l'énergie moyenne par impulsion.
La figure 7 représente un système permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Ce système comporte entre la source S1 et la couche de matériau semiconducteur un dispositif d'absorption Ab. Ce dispositif est, par exemple, une lame absorbante présentant un profil en
biseau de façon à fournir un gradient d'absorption selon l'axe OX.
A titre d'exemple, une pente à 20 %, pour une zone " SLG " à + 5 % de la largeur du faisceau laser, pour un taux de recouvrement de 98 à 99 %, donne un matériau silicium polycristallin uniforme d'une taille de grains
moyenne de 0.8 à 1.1 micron de diamètre.
Une stabilité pulse à pulse même faible (par exemple + 1 %) dans une configuration de profil de faisceau type " top-hat " générera des
marquages aléatoires du matériau irradié.
La rampe permet de s'affranchir de cet inconvénient. En effet, il suffit d'adapter la pente de la rampe à la stabilité pulse à pulse du laser. Sachant que 10 % de la surface de la largeur de la rampe est cristallisé de type " SLG " il suffit de choisir la pente de la rampe en fonction de ces instabilités. De fortes instabilités impliqueront donc de préférence l'utilisation
d'une forte rampe.
Toute amélioration de la stabilité pulse à pulse du laser permet l'utilisation d'une pente moins forte (figure 8) en conséquence, la zone " SLG " est plus large et l'utilisation d'un taux de recouvrement inférieur est possible, soit un gain de temps de cristallisation à fréquence de laser
constante.
Selon des variantes de réalisation représentées en figures 6b et 6c, on peut prévoir que l'impulsion présente, en amont de l'impulsion (selon le sens de déplacement de l'impulsion) un profil de niveau d'énergie décroissant compris entre e4 et e5 dans la zone a7 qui permet une déshydrogénation in situ du matériau juste avant sa cristallisation par l'impulsion précédemment définie. Cela permet de s'affranchir d'une étape technologique extérieure (recuit thermique de plusieurs heures dans un four). Exemple d'application Pour un faisceau laser de 30 cm * 0.5 mm etun laser industriel fonctionnant à 300 Hz avec un taux de recouvrement de 98 % (50 coups par unité de surface) le pas de 10 pm permet de cristalliser 3 mm de matériau à la seconde, soit 100 s nécessaires pour traiter un écran de 30 * 30 cms. Si un taux de recouvrement de 95 % est acceptable, le traitement du même écran ne prendrait alors que 40 s. Ces temps sont industriellement
acceptables.
On peut agir sur la pente énergétique du faisceau laser.
L'utilisation d'une forte pente tolérera des variations énergétiques pulse à pulse importantes à contrario d'un profil plus doux qui nécessitera une
meilleure stabilité énergétique pulse à pulse du laser.
Ce choix sera fonction - de la précision énergétique pulse à pulse du laser - de la largeur de la zone de gros grains (" SLG ") réalisée - du taux de recouvrement pulse à pulse (nombre de coups vus par unité de surface) Dans ce qui précède, on utilise comme source d'énergie une source lumineuse mais on pourrait utiliser toute autre source d'énergie, par
exemple un faisceau d'électrons.
Claims (12)
1. Procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur (1) à l'aide d'un faisceau énergétique (F1) éclairant sur une surface (L x 1) la couche de matériau semiconducteur (1), la cristallisation de la couche se faisant par déplacement relatif du faisceau à la surface de la couche selon une direction déterminée (OX), caractérisé en ce que ledit faisceau présente un profil d'énergie selon la direction de déplacement (OX) tel qu'on a au moins un premier niveau d'énergie permettant d'obtenir une cristallisation à gros grains (Super Latéral Grow - SLG) à partir d'une phase amorphe ou cristalline à petits grains du matériau semiconducteur ainsi qu'un ou plusieurs deuxièmes niveaux d'énergie supérieurs au premier niveau d'énergie et situés vers l'avant de la zone éclairée par le faisceau selon le sens de déplacement (OX) du faisceau et permettant une fusion/dissolution d'un matériau comportant à la fois des phases cristallines
à gros grains et des phases cristallines à petits grains.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un deuxième niveau d'énergie est voisin géographiquement du premier niveau d'énergie et en ce que le faisceau énergétique est impulsionnel de façon qu'après une première illumination d'une première zone, le faisceau est déplacé à la surface de la couche de matériau semiconducteur et qu'une deuxième illumination d'une deuxième zone induise suffisamment d'énergie en aval de la première zone pour réaliser la
fusion/dissolution du matériau semiconducteur.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une impulsion énergétique comporte un flanc avant présentant un gradient d'énergie et en ce que le déplacement du faisceau entre la première illumination et la deuxième illumination est tel que, lors de la deuxième illumination, la portion de faisceau présentant un deuxième niveau d'énergie éclaire la zone (a5) éclairée précédemment par le flanc avant de l'impulsion
lors de la première impulsion.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier niveau d'énergie permet la fusion/dissolution d'une phase cristalline
à petits grains du matériau semiconducteur.
5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le
faisceau énergétique est un faisceau lumineux.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le faisceau énergétique présente un gradient d'énergie contenant lesdits
premier et deuxième niveaux d'énergie.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gradient d'énergie est linéaire.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le profil d'énergie du faisceau présente un palier d'énergie correspondant au premier niveau d'énergie précédé dans le sens de déplacement du faisceau
par un pic d'énergie correspondant au deuxième niveau d'énergie.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flanc avant du faisceau énergétique selon son sens de déplacement présente un gradient d'énergie décroissant vers le flanc avant de façon à provoquer un échauffement de ladite couche durant un temps suffisant pour permettre sa déshydrogénation.
10. Système de cristallisation d'une couche en matériau semiconducteur comprenant une source lumineuse éclairant, à l'aide d'un faisceau lumineux, une face de la couche de matériau semiconducteur ainsi que des moyens pour déplacer selon une direction et un sens déterminé le faisceau lumineux par rapport à la couche de matériau semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (Ab) entre la source et la couche de matériau semiconducteur pour induire un gradient d'énergie du niveau.
11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens situés entre la source lumineuse et la couche de matériau semiconducteur comportent un élément fonctionnant en transmission et
présentant un gradient d'absorption.
12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de visualiser les zones cristallines à gros grains et les zones cristallines à petits grains et de détecter leurs frontières (FR1, FR2); en ce qu'on détermine en fonction de la forme du faisceau énergétique, la position théorique (MAR) de chaque frontière et en ce qu'on compare la position de chaque frontière (FR2) avec sa position théorique (MAR) de façon à réaliser un système de contre réaction dérivant, de la distance séparant la position théorique (MAR) de la position de ladite frontière (FR2), un signal de contre réaction agissant soit sur la position du faisceau laser, soit sur le déplacement selon ladite direction (OX) de la couche de matériau semiconducteur (1) à traiter, soit sur la tension de décharge du laser pour corriger toute discontinuité dans le matériau à gros grains du à des dérives
énergétiques des impulsions délivrées par le laser.
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|---|---|
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