JP2019521321A - フラットパネルディスプレイのための、ファイバーレーザーアニーリングされた多結晶シリコンフィルムの形態学的特徴を測定するためのプロセス及びシステム - Google Patents

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アレクサンダー・リマノフ
マイケル・ヴォン・ダデルツェン
ダン・ペルロフ
エドワード・ツィディルコフスキー
ジョン・ヒックス
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アイピージー フォトニクス コーポレーション
アイピージー フォトニクス コーポレーション
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Abstract

各々が、グレインに関して一様である、長さ（Ｌｇ）及び幅（Ｗｇ）を有する左右交互に位置したグレインの少なくとも１つの行、によって画定される、結晶構造を有するレーザーアニールフィルムの形態学的特徴を測定する方法であって、前記行の長さ（Ｌｒ）が、前記グレインの累積幅Ｗｇに対応し、且つ回折の様々な次数の回折を生成し、本方法が、単色光を生成する段階と；０ｏ（入射）とグレージング角との間の範囲において変わる角度で前記レーザーアニールフィルムの表面上へ前記単色光を向ける段階と；前記表面から回折された前記単色光の特性の変化を測定し、それによって、１つの行の長さ（Ｌｒ）に沿ってレーザーアニールフィルムの形態学的特徴を測定する段階と；を含む。

Description

この開示は、フラットパネルディスプレイの製造に関する。より具体的には、本開示は、低温多結晶シリコンアニーリング（ＬＴＰＳ）法によって製造される石英基板上の多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）フィルムの光学的均質性を決定するためのレーザーベースの方法及びシステムに関する。
従来技術の議論
フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造環境は、世界で最も競争が激しく且つ技術的に複雑である。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術は、図１に示されるように、高解像度、高性能の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又はここで特に対象となる有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の何れかであり得るＦＰＤに関する基礎である。ＴＦＴディスプレイ回路は、アモルファスシリコン（「ａ−シリコン又はａ−Ｓｉ」）の薄い半透明層の上で作製され、且つ、個別のピクセルに対応するための層にわたるバックプレーンにおいて配される。
工業は、ａ−Ｓｉのものよりもおよそ２桁大きいキャリア移動度を有する多結晶−Ｓｉを用いることにより、ピクセルサイズの実質的に減少させ、開口率及びピクセル分解能を改善することを実現した。多結晶−Ｓｉのこれらの特性の結果として、ポータブル／携帯電子機器は今や高解像度のフラットパネルディスプレイを特徴とする。
結晶化（アニーリング）によってａ−Ｓｉを多結晶−Ｓｉに変換するための２つの根本的に異なるアプローチが存在する。一方は熱アニーリング（ＴＡ）アプローチであり、他方は低温多結晶シリコンアニーリング（ＬＴＰＳ）アプローチであり、この開示の主題の一部である。後者では、ａ−Ｓｉは最初に熱的に処理されて液体アモルファスＳｉに変換し、その後、特定の期間の間溶融状態が維持される。溶融状態を維持するために十分な温度範囲が選択されて、最初に形成された多結晶子が成長し結晶化することを可能にする。ＬＴＰＳアプローチは、２つの包括的な方法に基づく−エキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ）及び順次横方向凝固（ＳＬＳ）。後者は、この開示のｐ−Ｓｉフィルムを製造するために用いられる方法であり、その全体が本明細書に組み込まれる共同所有米国特許出願１４７９０１７０において詳細に説明される。
アクティブマトリクス有機発光ディスプレイ（ＡＭ ＯＬＥＤ）は、着色された有機又はポリマー材料へ電気的信号を印可することによって光を出力する自発光デバイスである。それゆえ、ＯＬＥＤは、電流駆動デバイスであり、一方でＬＣＤ技術は電圧駆動である。アクティブマトリクス（ＡＭ）上の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の一様な且つ安定な閾値電圧（Ｖｔｈ）分布は、人間の目への良好な視覚的印象のために不可欠である。従って、ＡＭ ＯＬＥＤの寿命は、発光材料によってだけではなく、ｐ−Ｓｉバックプレーンの信頼性によっても決定される。そのため、要求される高ＴＦＴＶｔｈ一様性は、一般的なＬＣＤ ＬＴＰＳバックプレーンと比較してより高い度合いの結晶均質性を有するｐ−Ｓｉフィルムのための必要条件である。
ガラス上にｐ−Ｓｉフィルムを作製するステップは、ＯＬＥＤ ＦＰＤ製造プロセス全体の最も初期の段階の内の１つである。そのため、すべての後のプロセスステージが完璧に実施されたとしても、この基本的なｐ−Ｓｉ形成ステップが仕様からシフトしたときは、逸脱に起因して不可避の歩留まり損失が生じるであろう。
従って、ｐ−Ｓｉフィルムの不均質性を定量的に決定する方法に関する必要性が存在する。
必要とされる方法を実行するように構成されたシステムに関する他の１つの必要性が存在する。
発明の方法及びシステムは、以下の図面によって示される。
レーザーアニーリングされたｐ−Ｓｉサンプルの画像である。 サンプルの低分解能顕微鏡画像である。 ２つの行のレーザーアニーリングされたｐ−Ｓｉサンプルの概略図であり、各行が複数のグレインによって画定される。 個々のグレインの概略上面図である。 発明のシステムの光学概略図である。 図３の発明の概略において用いられるスキャン方向を示すサンプルの正面図である。 図２のシステムにおいて用いられる回折角を決定するためのシステムの光学概略図である。 ０．７ｍｍレーザービームによって図２のシステムによって処理される１つのサンプルの原画像である。 図５のサンプルを処理することにおいて用いられる回折格子の強度を示すスケールである。 ２ｍｍレーザービームによって図２のシステムによって処理される他の１つのサンプルの原画像である。 図７のサンプルを処理することにおいて用いられる回折格子の強度を示すスケールである。 ０．７ｍｍレーザービームによって得られるいくつかの行の上の空間格子強度分布である。 ０．７ｍｍレーザービームによって得られる単一の行の上の空間格子強度分布である。 ２ｍｍレーザービームによって得られるいくつかの行の上の空間格子強度分布である。 ２ｍｍレーザービームによって得られる単一の行の上の空間格子強度分布である。 開示されるレーザーアニーリングシステムの直交図である。
開示されるシステムへの詳細な参照がここで為されるであろう。可能な限り、同じ又は同様の部品又はステップを参照するために、図面および説明において同じ又は類似の参照番号が用いられる。「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」という用語及び同様の用語は、必ずしも直接的及び直近の接続を意味するのではなく、中間の要素又はデバイスを介した接続も含む。図面は簡略化された形であり、正確なスケールからは遠い。
図１Ａ及び１Ｂを参照すると、ＳｉＯ２基板上のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜のレーザーアニーリングは、多結晶（ｐ−Ｓｉ）フィルム１０を製造する。このフィルムは、ＯＬＥＤスクリーンの製造に関する基材として用いられ得る。
浅い角度の下で且つ可視線に沿って白色光によってフィルム１０を照射することによって、虹のような色のパターンが見えるようになる。特に、適度な倍率の下で（Ｌｅｉｃａ Ｚ１６ ＡＰＯ、同軸照射）、ｍｍ幅ストライプに対して垂直な周期的な線が現れ始める（図１Ｂ）。高倍率（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ５１、透過及びＤＩＣモード）は、０．７μｍ間隔の周期的線のバンドを明らかにし、再融解プロセスにおけるビームシフト／ステップに対応する。このパターンは、回折格子としての機能を果たす方向Ａ−Ａにおける下部の周期的構造を示唆し、その動作の原理は、光学における当業者に良く知られている。
回折格子の存在は、形態学的特徴、つまりｐ−Ｓｉフィルム１０を特徴付ける特定の特性が測定され得ることを示す。これらの測定に基づいて、許容可能な範囲が確立され得、大量生産レーザーアニーリング装置において用いられ得て、「優れたパネル」、つまり、光学的不均質性の所望の許容可能な度合いによって特徴付けられパネルを選別する。後者は、電荷キャリアの電気的移動度の一様性に、且つ最終的にはＦＰＤの所望の性能にとって重要である。
図１Ｂを具体的に参照すると、ｐ−Ｓｉフィルム１０の拡大画像のトポグラフィーは、Ａ−Ａ方向において互いに隣接する、つまり、隣接して並んでいる行１２の長さＬｒに沿って、多数の行１２を含む。分かるように、各行１２は一般的に、行幅Ｗｒを備えた一様な矩形断面を有する。
図１Ｃは、２つの行１２を有するように示されたフィルム１０の高度に図式的なものである。ｐ−Ｓｉの結晶構造は、各々がむしろ理想的な矩形形状を備えた複数のグレイン１４を有するように図式的に示される。実際には、形は、示された形とは異なり得る。しかしながら、理想的であろうとなかろうと、グレイン１４は、図１Ｄの単一のグレイン１４において両方ともより良く見られるグレイン幅Ｗｇ及び長さＬｇを各々有する。
開示される行及びグレイン形状のこのような詳細な説明は、周期的構造、つまり、各行１２の長さＬｒを画定する回折格子を説明するのに非常に重要である。そのため、図１Ｃを参照すると、行１２の長さＬｒは、個別のグレイン１４の幅Ｗｇの合計である。グレインの長さＬｇは、すべてのグレインに関して一様であり、それは、レーザーアニーリングシステムにおいて用いられるアニーリングビームの長軸に対応するので、各行１２の幅Ｗｒを画定する。
図２は、ｐ−Ｓｉフィルム１０の形態学的特徴を測定するように構成された発明のシステム２０を示す。後者は、隣接したグレイン１４の隣接した長い側面Ｌｇの少なくとも１つの行１２によって画定される結晶構造によって特徴付けられる。様々な次数の回折は、行長さ（Ｌｒ）に沿って生成される。システム２０は、格子の強度を示す回折光の出力を測定することが可能である。
システム２０は、連続波（ＣＷ）、準−ＣＷ又はパルスレジームにおいて動作するように構成され得るレーザー源２２を含み、任意の所望の波長、例えば、５３２ｎｍで、単色又は非常に狭い帯域の光線２４を出力する。例としてのみ与えられるが、ビーム２４は、４０μｍのビーム直径を有する。ビーム２４は、サンプル１０の表面上へ焦点が合わせられ、且つ、特性の変化の測定の所望の空間分解能に関連する設置面積を有する。集束入射ビーム２４は、ある角度で、周期的構造、つまり回折格子、のリッジに衝突する。リッジは、同じ行の隣接したグレイン間の界面で形成される。回折ビームは、任意の次数の回折ピーク、例えば一次回折ピークの個別の強度を決定するために測定される。実験では、入射の角度は約５０°である。一般的には、この角度は、０ｏとグレージング角との間で変わり得る。好ましくは、角度は、ガラス基板の多数の反射によって引き起こされるアーチファクトを避けるように選択される。
フォトセンサー２６は、格子空間的強度の測定のために用いられ、且つ、スキャンスキームに応じてフォトダイオード又はＣＣＤから選択され得る。測定に基づいたデータは、それが貯蔵される中央処理ユニット２８において収集され、処理され、且つ表示されて、フィルム１０の光学的不均質性の度合いを特徴付ける。このデータはその後、図１１への参照において本明細書で議論されるようなレーザーアニーリングプロセスによる大量生産において用いられる許容可能なパラメータの範囲を決定するために用いられ得る。
行１２の長さＬｒを画定するグレイン１４の多重度は、図３の長手方向Ｙにおけるサンプル１４の表面のスキャンの結果として形成される。試験では、サンプル１０は、レーザーアニールフィルムを支持する２次元の移動ステージ上に配される。ステージは、照射された行１４によって画定されるフィルム１０の所望の領域をラスタスキャンするビーム２４に対してサンプルを動かす。しかしながら、ラスタスキャンは、ビームがサンプルに対して動かされる、又は図３のＹ縦座標に沿ってサンプル及びビームの両方を反対方向に動かすことを可能にする既知の技術によって実施され得る。既知のスキャン技術は、フォトダイオード２６と連動した、検流計、スキャンポリゴン又は音響光学偏向器を含み得る。
レーザーアニーリングされたフィルムの所望の領域は、所望の回折次数で、ＣＣＤ等の、ピクセル検出器上へレンズによって結像され得る。そのようにすることによって、回折効率、照明アレイの数に対応する回折角、及び回折光の偏光状態を含む回折光の、測定された特性のマップを生成する。上記で挙げられた特性を測定するのに必要不可欠な構成要素は、当業者に良く知られている。
デバイス、及び膨大な実験において用いられるシステム２０によって実施されるプロセスステップは、一次回折ピークにおける回折光の強度の測定に基づく。これは、ガラス基板の多数の反射によって引き起こされるアーチファクトを避けるために約５０°の入射の角度で行われる。干渉効果をさらに低減するために、サンプルの後面は、除去可能な塗料で黒くされる。サンプルはその後、サンプル平面においてスキャンされる。
開示されるコンセプトはもちろん、周期的構造を分析することを含む。特に、図４からわかるように、図３のシステム２０は、５４３ｎｍレーザービームの垂直入射に関する反射及び透過において（±）一次回折次数の角度θｉの測定に関してわずかに修正されている。格子の間隔ｄは、以下のように回折に関する。
計算された格子間隔はここで０．７０μｍであり、顕微鏡によって決定された値と同一である。
図５及び７は、不完全に平坦なサンプルによって引き起こされるエラーを低減するために約１ｍｍの空間的カットオフ周波数を備えたハイパスフィルターを利用することによって画像を後処理することに関する。特に、図５及び７は、０．７ｍｍ（図５）及び２ｍｍビームサイズ（図７）を備えた２つの処理されたサンプルの個別の原画像を示す。示されたサンプルは、個別の格子スケールを表す図６及び８の個別のスケールが付随する。
図９Ａ〜９Ｂ及び１０Ａ〜１０Ｂは、個別の図５及び７上に示されたサンプルの空間格子強度分布の可視化を提供する。具体的に図９Ａを参照すると、図５のサンプルの画像は、０．７ｍｍレーザービームを備えた図５の行１４の多重度を含むフィルムの所望の領域をスキャンしつつ得られた結果に対応する。図９Ｂは、同じ０．７ｍｍビームによる単一の行１４のラスタスキャンに基づいた結果を示す。図１０Ａ及び１０Ｂは、図７及び８の画像に対応する２ｍｍレーザービームによる複数行のスキャンされた領域及び単一の行領域の個別の結果を示す。図２、７及び９Ａから１０Ｂの開示された処理されたサンプルの上記開示されたステップは、図５及び７の個別のサンプルの格子強度の比較時の定量的測定を示す以下の表においてまとめられる。
ここで図１１を参照すると、上記開示される方法及びシステムは、米国特許出願公開第…号明細書において詳細に開示される、レーザーアニーリングシステム５０によってアニーリングされたｐ−Ｓｉフィルムの形態学的特徴を決定するためのスタンドアロンデバイスとして機能し得る。代わりに、システム２０及びその変形は、システム５０に組み込まれ得る。後者は、パルスビームを出力するレーザー源（図示されない）を含む。ビームは、それらの内のいくつかが簡潔に開示されるいくつかの光学的ユニットを通ってビーム経路に沿って導かれる。まず、ビームは、その短軸及び長軸に沿ってパルス光線を連続的にコリメートするように作動するコリメートユニットを通って導かれる。その後、コリメートされたビームは、マスクの直前であるマスク平面に向けられ焦点が合わせられた一様な線形ビームを提供するように作動するユニットにおいて均質化される。ｐ−Ｓｉに変換されることになるａ−Ｓｉのフィルムは、ビームとフィルムとの間の相対的変位を提供するステージ上に配される。
発明のシステム２０に戻ると、それは、フィルムに対向するアモルファスの、アブレーションされた／結晶化された部分へのレーザービーム２４のカップリング（図３）を提供するように位置付けられ得る。このスキームは、確立された仕様又は範囲内ではないすでに結晶化された部分の特定の特性を検出することを可能にする。フィルム全体のわずかな部分が、仕様外である特性を有すると決定される場合、アニーリングシステムの構成要素へフィードバックを提供し且つ基本的にリアルタイムで「悪い」特性を調整することが可能である。このようなアプローチは、残りの「優れた」フィルムが、ＦＰＤを製造するプロセスにおいてさらに用いられることを可能にするであろう。しかしながら、フィルム全体の大部分が不満足であると決定される場合、このフィルムは全体として捨てられ得るので、残りのＦＰＤ製造がどのように上手く進むに関わらず、そうでなければ発生するであろう損失を防止する。代わりに、システム５０は典型的には定期的に調整されることが知られる。この場合では、システム２０によって処理されたサンプルを校正することが、システム５０のパラメータを調整するために用いられる。
まとめると、光学的不均質性は、隣接したグレイン１４間のピークトゥーピーク変化を減少させることによって、及び／又は、場合によっては、ステップサイズをランダムにすることによって構造の周期性を壊すことによって、潜在的に最小化され得る。
添付の図面への参照によって本開示の好ましい実施形態の内の少なくとも１つを説明してきたが、開示はそれらの正確な実施形態に限定されず、様々な変更、修正、及び適合が添付の特許請求の範囲において定義されるような開示の範囲または精神から逸脱することなく当業者によってその中で理解され得ることが理解されるべきである。

Claims (18)

  1. 各々が、グレインに関して一様である、長さ（Ｌｇ）及び幅（Ｗｇ）を有する左右交互に位置したグレインの少なくとも１つの行、によって画定される、結晶構造を有するレーザーアニールフィルムの形態学的特徴を測定する方法であって、前記行の長さ（Ｌｒ）が、前記グレインの累積幅Ｗｇに対応し、且つ様々な次数を有する回折を生成し、前記方法が、
    単色光を生成する段階と；
    ０ｏ（入射）とグレージング角との間の範囲において変わる角度で前記レーザーアニールフィルムの表面上へ前記単色光を向ける段階と；
    前記表面から回折された前記単色光の特性の変化を測定し、それによって、１つの行の長さ（Ｌｒ）に沿ってレーザーアニールフィルムの形態学的特徴を測定する段階と；
    を含む、方法。
  2. 前記フィルムが、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）フィルムであり、且つ、前記レーザーアニールフィルムの所望の領域を累積的に画定し、行幅Ｗｒ及び行長さＬｒにおいて隣接している１つ及び追加の行のアレイを有する、請求項１に記載の方法。
  3. 特性の変化の測定の所望の空間分解能に関連する設置面積を有する向けられた単色光によって前記レーザーアニールフィルムの所望の領域をラスタスキャンする段階をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 所望の回折次数でピクセル検出器上へ結像されることになる前記レーザーアニールフィルムの前記所望の領域を照射し、それによって前記変化を測定する段階をさらに含む、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記所望の領域を照射する段階が、前記向けられた単色光の前記回折次数の画像化を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記回折光の、測定された特性のマップを生成する段階をさらに含み、前記特性が、回折効率、照明アレイの数に対応する回折角、及び回折光の偏光状態を含む、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
  7. 前記回折光の前記測定された特性の許容範囲を決定する段階をさらに含む請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
  8. 複数のレーザーアニールされた行の分散不均質性（ＭＵＲＡ）を決定する段階をさらに含む請求項７に記載の方法。
  9. レーザーアニーリングプロセスの間に前記レーザーアニールフィルムの前記測定された特性を許容範囲と比較する段階と、
    前記回折光の任意の前記測定された特性が前記許容範囲の外側である場合に、前記レーザーアニーリングプロセスを中断する制御信号を生成する段階と、をさらに含む、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
  10. ｐ−Ｓｉフィルムへ変換されたアモルファスシリコンフィルムの一部のレーザーアニーリングプロセスの間に、前記フィルムの残りがアニーリングされつつ、前記測定された特性を前記許容範囲と比較する段階と、
    任意の前記測定された特性が前記許容範囲の外側である場合に、リアルタイムで制御信号を生成する段階と、
    前記レーザーアニーリングプロセスのパラメータを調整して、前記範囲内に特性を持っていく段階と、をさらに含む、請求項８に記載の方法。
  11. グレインに関して一様であり且つ行の幅（Ｗｒ）を画定する、長さ（Ｌｇ）を各々が有する左右交互に位置したグレインの少なくとも１つの行によって画定される、結晶構造を有するレーザーアニールフィルムの形態学的特徴を測定するためのシステムであって、前記行の長さ（Ｌｒ）が、前記グレインの累積幅Ｗｇに対応し、且つ回折の様々な次数の回折を画定し、前記システムが、
    単色光のレーザー源と；
    ある角度で前記レーザーアニールフィルムの表面上へ前記単色光を向ける誘導光学系と；
    回折単色光の特性の変化を測定し且つ信号を生成するように構成されたセンサーと；
    前記センサーから前記信号を受け取り且つ１つの行に沿ってグレインの不均質性を決定するように作動する処理ユニットと、
    を含むシステム。
  12. 前記レーザー源が、その上で所望の領域を累積的に画定する行のアレイを提供するように前記フィルムをレーザーアニーリングするように作動し、前記行が、行幅Ｗｒ及び行の長さＬｒにおいて隣接している、請求項１１に記載のシステム。
  13. 特性の変化の測定の所望の空間分解能に関連する設置面積を有する向けられた単色光によって前記レーザーアニールフィルムの所望の領域をラスタスキャンするように作動するスキャナーをさらに含む請求項１１に記載のシステム。
  14. 前記スキャナーが、検流計、スキャンポリゴン又は音響光学偏向器を含み、前記センサーがフォトダイオードである、請求項１３に記載のシステム。
  15. スキャナーが、イメージングシステムを含み、前記イメージングシステムが、前記センサーによって構成されており、前記レーザーアニールフィルムから離間したピクセル検出器、及び、前記単色光によって照射される所望の領域間のイメージングレンズを含み、レンズが、前記ピクセル検出器上の前記照射された所望の領域を画像化し、前記ピクセル検出器が電荷結合素子（ＣＣＤ）である、請求項１１に記載のシステム。
  16. 前記回折光の前記測定された特性が、回折効率の前記測定された不均質性、回折角（照明アレイの数）、及び前記回折光の偏光状態を含む、請求項１１に記載のシステム。
  17. 前記処理ユニットが、前記回折光の前記特性の前記測定された不均質性の許容範囲を決定するように作動する請求項１１に記載のシステム。
  18. ガラス基板上でアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）フィルムをアニーリングするためのレーザーアニーリングシステムであって、
    前記ａ−Ｓｉフィルムの下にあるサポートと；
    パルス光線を出力するファイバーレーザー源と；
    その短軸及び長軸に沿って前記パルス光線を連続的にコリメートするように作動するコリメートユニットと；
    マスク平面で向けられる一様な線形パルスビームを提供するようにコリメートレーザービームを処理するように作動する均質化ユニットと；
    前記フィルムに対向する前記マスク平面で前記一様な線形ビームの焦点を合わせるように作動する集束ユニットと；
    互いに対して前記一様な線形ビーム及びｐ−Ｓｉフィルムを備えた前記サポートの変位を提供するように作動して、グレインに関して一様である長さ（Ｌｇ）及び幅（Ｗｇ）を各々が有する左右交互に位置したグレインの少なくとも１つの行によって画定される多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）結晶構造のフィルムに前記ａ−Ｓｉフィルムを変換する、アクチュエータであって、前記行の長さ（Ｌｒ）が、前記グレインの累積幅Ｗｇに対応し、且つ回折の様々な次数の回折を画定する、アクチュエータと；
    請求項１１から１７の何れか一項に記載の前記ｐ−Ｓｉフィルムの不均質性を定量的に決定するように作動するシステムと、
    を含む、レーザーアニーリングシステム。
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