JP5506402B2 - レーザビーム空間強度プロファイルの最適化のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本願は、米国特許出願第１１／６７３，９８０号（発明の名称：Systems and Method for Optimization of Laser Beam Spatial Intensity、２００７年２月１２日出願）の優先権を主張するものであり、これは、全部記載されているものとして全体としてここに組み込まれる。

本発明は、一般には液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関するものであり、詳細にはＬＣＤを製造するためのシステムおよび方法に関する。

アクティブマトリクスＬＣＤに関して確立した成長中のマーケットが既に存在しており、アクティブ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）がディスプレイの各画素を制御するために用いられる。例えば、アクティブマトリクスＬＣＤは、コンピュータスクリーン用に普及している技術である。さらに、近年では、アクティブマトリクスＬＣＤの手法は、例えば、テレビジョン、携帯電話、ＰＤＡ、ビデオレコーダ等のマーケット区分にも飛躍的に入り込んでいる。

アクティブマトリクスＬＣＤは、次の５年では３５％の推定年平均成長率という、ディスプレイ産業の最速に成長しているマーケット区分と予想されている。これに対してパッシブＬＣＤおよび従来の陰極線管（ＣＲＴ）は、平坦またはマイナスの成長率と予想されている。

唯一プラスの成長を有すると予想される他のディスプレイ技術は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイであり、これは特定の応用に出現しつつあり、２００７年から各年で２倍以上と予想されている。

急速な全体成長に加えて、ＬＣＤマーケットの性質が変化しており、即ち、より新しいＬＣＤ応用がより多くの多様性とより特殊な条件を含んでいる。例えば、電話は、全ＬＣＤの約５０％であるが、ＬＣＤ面積全体の２％しか過ぎない。これに対してモニタは、ＬＣＤの約２７％であるが、面積全体の５０％である。ＴＶ応用の急速な成長および大型スクリーンサイズについて、テレビジョンは、２００８年までにＬＣＤ面積全体の３０％以上になると予想されている。これらの大型スクリーン応用は、従前のＬＣＤ応用と比べて多くの特別な条件を有する。

予測される高い成長率を支え、新しいマーケット機会を上手に獲得するためには、ＬＣＤ製造者は、新しいディスプレイ製造技術を活用して、ＬＣＤ供給の特徴および性能を改善すると同時に、これらの製造コストおよびスループットを改善することが必要になる。

ＬＣＤ産業は、急速な成長および製品の多様性の次の段階に移行する際、成功のための幾つかの要因は、より小さな画素、より高密度を含み、これらのＴＦＴのサイズおよび、ビデオ要件をサポートするより高いＴＦＴスイッチング速度の直接的な関数である。より明るいディスプレイ能力、単位画素でのより多くの光のための改善したアパーチャ比、および全体的な生産コストも成功のための要因である。より低い生産コストは、より高速な処理スループットおよび、一貫したパネル当たりの良好なディスプレイの高歩留まりの両方からもたらされる。長期の成功のためには、ＬＣＤ製造者は、例えば、ＯＬＥＤなど、新しく高成長のスクリーンタイプの効率的な製造に、良好な費用対コストで適合できる技術手法に投資を行うことが重要であろう。

アクティブマトリクスＬＣＤのためのＴＦＴの製造をサポートし、ガラス基板上に導電層を作成するために現在使用されている２つの主要なプロセス方法は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）および低温多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−ＳｉまたはＬＴＰＳ）である。ａ−Ｓｉプロセスでは、ゲート層がＰＥＣＶＤ Ｓｉ膜の上に直接作成される。ｐｏｌｙ−ＳｉまたはＬＴＰＳプロセスでは、ＰＥＣＶＤ Ｓｉ膜は、ゲート製造の前に結晶化され、高性能ＴＦＴを生産する。これらのプロセスにおいて、温度は低く保たれて、ガラス基板の溶融を回避している。

電子の移動は、アモルファスシリコントランジスタでは本質的に遅いため、ａ−ＳｉベースのＴＦＴは、ソースからドレインへの充分な電流フローを供給するには物理的に大きくする必要がある。一方、ポリシリコンで達成できる著しく高い電子移動度に起因して、ＬＴＰＳベースのＴＦＴは、より小さくより高速にできる。ポリシリコントランジスタは本質的に小さいため、より多くの光が各画素を通過できる。これにより、改善したアパーチャ比、より高い画素密度、またはこれらの両方を可能にする設計の柔軟性が可能になる。

ＴＦＴのサイズおよび性能のＬＴＰＳの利点に関わらず、多くのＬＣＤパネルは、今日、アモルファスシリコンプロセスを用いて製造されている。これは、ａ−Ｓｉの比較的低コストに主に起因しており、より少ないプロセスステップおよび、成熟したＬＴＰＳ設備が少ないことに関連した潜在的な未知数から由来している。ａ−Ｓｉは、コストを最小化するための「無難な」プロセスでもある。大型スクリーンＬＣＤでの単一の欠陥は、装置全体の廃棄を意味する。しかしながら、ａ−Ｓｉプロセスはかなり良好に確立されて管理可能であっても、より高い画素密度、より高速な応答、より明るいディスプレイのための新しい要求をサポートすることに関して、ａ−Ｓｉ技術がその限界に接近していることは明らかになった。

今まで、ＬＴＰＳは、典型的には、より小型で高性能のディスプレイを製造することをターゲットとしていた。より小さな物理サイズのポリシリコンベースＴＦＴは、増加したスクリーン輝度、より高い画素密度、より低いエネルギー消費を可能にするからである。また、ＬＴＰＳトランジスタの固有に高速スイッチングは、例えば、ビデオレコーダや、携帯電話、ＰＤＳでのビデオ機能など、ビデオ応用の要件をサポートしている。

ディスプレイ製造者はまた、有機発光ダイオード技術の出現について先行して計画する必要があり、これは２００７年に始まると推測される急速な成長のディスプレイマーケットの重要な区画になるであろう。幾つかの簡単なＯＬＥＤデバイスが、例えば、自動車機器およびデジタルカメラ用の小型スクリーンで高輝度のディスプレイなど、特定の応用に向けて既に開発されている。幾つかの会社は、大型ＯＬＥＤスクリーンを生産する考えを発表しており、製品化した場合、ディスプレイ輝度および色が重要な差別化要因である応用について著しいマーケットシェアを獲得するであろう。

ＯＬＥＤベースのディスプレイでは、バックライト光源のライトバルブとして機能するのではなく、分子構造が実際に発光するため、より明るいスクリーンが得られる。ＯＬＥＤの発光材料は電流駆動であり、ＬＣＤのように電圧駆動ではないため、ポリシリコンのより高い電子移動度およびより安定した電流容量が、ＯＬＥＤ実用化のため重要な実現要因となるであろう。ＯＬＥＤの固有の高発光により、設計者は同じ輝度を生成するためにより小さな画素を選択することが可能になり、より高い解像度を可能にする。ＯＬＥＤディスプレイの実用化は、ポリシリコンによって達成可能なより小さな幾何形状にかなり適合することであろう。

前に戻って、ディスプレイ製造者は、今日の多様で急速に成長するＬＣＤ要件を満たし、将来の、例えば、ＯＬＥＤのマーケット立ち上がりの基礎を築くポリシリコン生産にとって高スループット、高歩留まりの能力を提供できるパネル製造技術を投入することが必要である。ＬＣＤまたはＯＬＥＤの製造方法は、３つのエリア、即ち、高性能ＴＦＴの生産、パネル全体に渡って均一な材料およびデバイスの製造、高スループットおよび低い操業コストの組合せによる生産効率の最適化、に注目できる。

最も広く使用されているＬＴＰＳ製造技術は、レーザを使用してシリコン膜を溶融し、一般にはナノ秒単位で測定される極めて短時間に融点(liquid point)まで加熱する表面処理を含んでおり、その後、Ｓｉ膜が再結晶化して多結晶シリコンになる。ＬＴＰＳ技術での主要な挑戦は、パネル全体に渡って均一な結晶化を確保するとともに、高いレベルの持続したプロセススループットおよび低い操業コストを提供するプロセスの有効な制御を含んでいる。

基板を処理するように構成された薄いビーム結晶化システムは、レーザ光を生成し、高エネルギーモードおよび低エネルギーモードを有するように構成されたレーザを備える。高エネルギーモードは、シリコン基板を完全に溶融するのに充分な光エネルギーを生成するように構成され、一方、低エネルギーモードは、シリコン基板を完全に溶融するのに充分でない光エネルギーを生成するように構成される。

該システムは、レーザと結合し、レーザから放射されたレーザ光を短軸および長軸を持つ長く薄いビームに変換するように構成されたビーム整形光学系と、シリコン基板を支持するように構成されたステージと、ステージと連結し、シリコン基板を前進させ、レーザ発射と関連したステップサイズを生成するように構成された並進機構(translator)とをさらに備える。

一態様において、該システムは、例えば、ＥＬＡなど、あるタイプのアニールプロセスを低エネルギーモードで実施するとともに、高エネルギーモードの場合は、例えば、薄ビーム方向性結晶化(Thin-beam Directional Crystallization)など、別のタイプのアニールプロセスを実施するように構成できる。このようにしてプロセス選択が、基板上に形成される特定のエリアについて最適化できる。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および実施形態は、詳細な説明において後述している。

本発明の特徴、態様および実施形態を添付図面と関連して説明する。

単一パルス照射後の膜表面の断面の一例を示す図である。 単一パルス照射後の膜表面の断面の他の例を示す図である。 図１の膜表面の断面の第２回照射中でのビーム位置の一例を示す図である。 図３に示した第２回照射中での入射フォトンの散乱の一例を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、短軸空間強度プロファイルの一例を示す図である。 「ｎ」個のパルス後のビーム位置の一例を示す図である。 「ｎ＋１」個のパルス後のビーム空間強度およびビーム位置の一例を示す図である。 液晶ディスプレイを製造するための装置の一例である。 アモルファスシリコンでコートされたガラスパネルを示す図である。

薄ビーム(thin-beam)方向性結晶化（ＴＤＸ）製造方法は、ポリシリコンの固有の利点と、効率的な製造量指向の生産能力との組合せが可能である。最終の結果は、優秀な電子移動度、平坦な表面トポロジー、大きなプロセスウインドウおよび、より高いスループットになる。異なるタイプのレーザが、薄ビーム方向性結晶化では使用可能であり、例えば、一実施形態では固体レーザが使用できる。他の実施形態では、高エネルギーエキシマレーザがＴＤＸプロセスで使用できる。当初は半導体のマイクロリソグラフィ応用のために開発された主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）構成も使用できる。

レーザは、３５１ナノメータで動作し、並外れたパルス間安定性および高い信頼性を備え、９００ワット以上のパワーを供給する。他の波長、例えば、３０８ナノメータも使用できる。一般には、溶融すべき材料、例えば、シリコンで強く吸収される任意の波長が使用できる。

ＴＤＸシステムは、係属中の米国特許出願第１０／７８１，２５１号（発明の名称：Very High Energy, High Stability Gas Discharge Laser Surface Treatment System、２００４年２月１８日出願）、米国特許出願第１０／８８４，１０１号（発明の名称：Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing Optical System、２００４年７月１日出願）、米国特許出願第１０／８８４，５４７号（発明の名称：Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing System、２００４年７月１日出願）、米国特許出願第１１／２０１，８７７号（発明の名称：Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing Optical System、２００５年８月１１日出願）に説明されており、これらは参照により全部記載されているものとしてここに組み込まれる。

ここで説明するシステムおよび方法に関連して用いられるＴＤＸ光学システムは、レーザ光を極めて長く薄い均一なビームに変換して、シリコン基板上に供給できる。さらに、それは、ビームのエネルギー、密度および指向性を安定化するように構成可能であり、これらの全てはＴＤＸプロセスの一貫性(consistency)を改善できる。一実施形態では、各パルスは、約５ミクロン幅、７３０ミリメータ長のエリアを露光できる。ビームの長さは、ガラスを１回の通過で処理できるように、基板幅と一致させることが可能である。これは高レベルの均一性および高速スループットを確保するのに役立つ。

露光の際、パネルは一定の速度で走査でき、レーザは、あるピッチまたはステップサイズ、例えば、２ミクロンごとに発射するようにトリガーをかけることが可能である。ピッチは、溶融領域が常に前回パルスの高品質結晶から播種(seed)するように選択でき、長い方向性ポリシリコン結晶を生成する。各パルスは、前回の溶融領域の中心にある大きなリッジまたは突起を溶融して、より平面な表面をもたらす。

ＴＤＸプロセスは、制御された超横方向成長(super lateral growth)の形態をベースとしており、溶融領域はエッジから中心に向かって横方向に再凝固する。ＥＬＡでは結晶成長がシリコン層の内部から垂直方向に進行するのに対して、横方向成長は、高い電子移動度を持つ大きな方向性ポリシリコン粒を生成する。ＴＤＸプロセスは、ＥＬＡよりかなり大きなプロセスウインドウを有する。それは、シリコン膜の空間的に制御された完全な溶融に依存しており、エネルギーに敏感な部分的な膜溶融を回避しているためである。

システム・オン・ガラス（ＳＯＧ）設計手法の使用は、ポリシリコンを用いて可能になる他の進化途上の舞台であり、これはＬＴＰＳプロセス効率面での新しいＴＤＸ進歩から利益を得るようになる。ＬＴＰＳを用いて達成できるより高い電子移動度およびより小型のトランジスタにより、駆動電子回路を、薄いＳｉコーティング中に直接製作することが可能になる。これは、タブボンド接続の必要性を減らすことによって、パネルコストを削減し、パネル頑丈さを改善する強力な方法を提供する。ポリシリコンのかなり高い電子移動度により、駆動電子回路の追加的な集積、例えば、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）を基板上に一体化したり、例えば、より多くのＴＦＴスイッチを制御するより高速のドライバーを用いることによってドライバーの個数を削減することが可能になる。

ＳＯＧを用いた全体コスト節減は、特に、多くの小さなＬＣＤスクリーンからなる大型パネルを処理する場合に極めて顕著になる。各スクリーンごとに別々のタブボンド駆動電子回路を用いた従来のａ−Ｓｉ手法を用いると、駆動チップは、高価な追加の組み立て工程とともに、スクリーン当たりのコストのかなりの割合を含むことがある。これに対してポリシリコンを備えたＳＯＧでは、バックプレーン製造工程の際に駆動電子回路を効率的に組み立てることが可能になる。

このことを念頭において、図１は、ここで説明するシステムおよび方法の一実施形態に従って、薄ビーム方向性結晶化プロセスにおける単一パルス照射後の膜表面１０２の断面の一例を示す図である。膜表面１０２は、例えば、アモルファスシリコンであってもよい。薄ビーム照射は、レーザを用いて表面１０２の一部を溶融する。溶融部分は、通常、両側から溶融領域の中間部へ内向きに凝固または固化し、２つの横方向凝固領域１０４，１０６を残す。これは、シリコン膜１０２の未溶融エッジが、溶融シリコンがその上に成長できる「種結晶(seed)」として機能するためである。

突起１０８が、照射した表面のほぼ中心またはその近傍において最後の凝固地点に存在することがある。突起１０８は、２つのエッジが相手に向かって成長する場合に生じ得る。２つのエッジが共に成長する中心またはその近傍において、結晶化構造は、通常は一致しない。各エッジが溶融領域の対向側から「種成長」して、これらの辺は通常は互いに一致しないからである。不一致の構造が出会うと、結晶は互いに押し合って、表面から押し出る。これらの突起１０８は、膜厚のオーダーになることがある。膜厚は、一般に約５０〜１００ｎｍであるが、他の膜厚も可能である。

突起１０８は、表面の均一な結晶化構造を破壊している。さらに、上述したように、アニール後に現れる突起１０８のパターンは、均一なゲート絶縁層を堆積させるのを困難にし、パネルを横断してＴＦＴ性能の不均一性をもたらす。突起１０８を除去するためには、次のレーザ発射において再溶融することができる。

例えば、膜表面１０２は、レーザの下方で次の発射のために、一定のステップサイズを移動できる。しかしながら、ステップサイズは、充分なレーザエネルギーが突起１０８に取り込まれて、突起１０８が溶融するのを確保するように設定する必要がある。従って、各突起１０８を再溶融する必要性は、達成可能な最大ステップサイズを制限する。レーザは突起１０８を再溶融する必要があるため、理論最大ステップサイズは横方向成長距離１１０と等しい。図１の例では、横方向成長距離は溶融領域の幅の約半分に等しい。従って、使用可能であって、突起１０８が溶融するのを確保する理論最大ステップサイズは、おおよそ横方向成長距離から突起１０８の幅を引いたものに等しい。

一般に、ステップサイズは、理論最大値よりかなり小さく、例えば、レーザパルス幅が約５μｍである場合、数百ナノメータだけ小さくなるように維持する必要がある。この減少はスループットを低下させる。実際のステップサイズは、理論最大ステップサイズより小さくなるであろう。突起１０８を再溶融するのにより多くのエネルギーが要求されるからである。これは、突起１０８が膜表面１０２の残部より厚いからである。

さらに、突起１０８は、レーザ光を散乱させることがある。そのため、その厚さに起因して突起１０８を再溶融するのにより多くのエネルギーを要するだけでなく、突起１０８によって散乱したレーザエネルギーのために、より多くのエネルギーを補う必要がある。

図４は、照射中での入射フォトンの散乱の一例を示す図である。入射フォトン４０８が表面１０２を照射すると、これらのフォトンの一部４０２が突起１０８によって散乱される。こうして突起１０８を溶融するのにより多くのエネルギーが要求される。上述したように、この散乱および突起１０８の余分な厚さは、達成可能なステップ距離を低下させ、ＬＣＤの処理時間を増加させる。突起１０８を溶融するのにより多くのエネルギーが要求されるからである。従って、ステップサイズ３０４を最大化するためには、突起１０８の場所により多くのエネルギーを向ける空間強度、短軸プロファイルが使用できる。

レーザビーム幅は、図２に示すような核粒２０４の形成を回避するように制御する必要があることにも留意する。核粒は、両側が共に成長する前に中心部が冷えると発生する。両側が共に成長する前に中心部が冷えると、その構造は、片側の「種成長」から外れるため、一般には片側の結晶構造と一致しない。むしろ、両側が共に成長するより速く中心部が冷えると、そこは内部から垂直方向に種成長するようになる。これは、溶融領域の幅が広過ぎる場合、即ち、レーザビーム幅が広過ぎる場合に発生することがある。溶融領域の幅が広過ぎる場合、中心部が凝固する前に両側は共に成長できなくなる。

ビーム幅が広過ぎる場合、横方向凝固領域２０６，２０８が中央核形成領域２０４に向かって成長し、２つの突起２１０，２１２が発生することがある。突起２１０，２１２は、エッジが核形成領域２０４の中に成長する場合に発生し得る。各横方向凝固領域２０６，２０８の結晶化構造は、一般には核形成領域２０４と一致しない。各エッジが、溶融領域の対向側から種成長するためである。

不一致の構造が出会うと、結晶は互いに押し合って、表面から押し出る。上述したように、膜表面２０２が凝固する際に形成されるＬＣＤの結晶化構造は、均一であることが一般には好ましい。突起２１０，２１２は、表面の均一な結晶化構造を破壊する。従って、核形成領域２０４が発生しないようにビーム幅を制限することが好都合になる。例えば、一実施形態では、ビーム幅は約５μｍであるが、ビーム幅は特定の実施形態に依存することは理解されよう。核形成の発生前に片側が共に成長する限りは、微粒子の核形成領域２０４は発生しなくなる。

上述したように、膜表面１０２は、突起１０８を溶融するために、ビームの下方において移動またはステップ移動が可能である。表面１０２は、例えば、パルス幅の半分より僅かに小さく左へ移動できる。そして、突起１０８は、横方向凝固領域１０４の小さな部分、横方向凝固領域１０６の全ておよび未照射のアモルファスＳｉ１１４の一部とともに再溶融することが可能になる。

横方向凝固領域が左から右へ成長すると、それは横方向凝固領域１０４から種成長して、中間で出会って新しい突起を形成するまで、横方向凝固領域１０４の結晶構造を持続させる。これは図３において判る。

図３は、図１の膜表面の断面の第２回照射中でのビーム位置の一例を示す図である。第１回照射中のビーム位置は、位置３０２に示している。上述したように、膜表面１０２は、表面１０２の次のセクションを溶融するためにビーム下方において移動できる。表面１０２は、例えば、ビーム幅の半分より僅かに小さくできるステップ距離３０４だけ左へ移動できる。ビームは、第２回発射の際、符号３０６に位置決めされ、入射フォトン３０８で表面１０２を照射するようになる。フォトン３０８は、横方向凝固領域１０４の小さな部分、横方向凝固領域１０６の全ておよび未照射のアモルファスＳｉ１１４の一部とともに、突起１０８を再溶融できる。新しい横方向凝固領域が左から右へ成長すると、それは横方向凝固領域１０４から種成長して、新しい溶融領域の中間で出会って新しい突起を形成するまで、横方向凝固領域１０４の結晶構造を持続させる。新しい突起は、位置３１４の近傍に形成される。

図６は、「ｎ」個のパルス後のビーム位置６０２の一例を示す図である。膜表面１０２は、一定のレートで移動できる。各パルスは、膜表面１０２が１つの公称ステップサイズ６０４を移動すると発生するように、時間調整できる。判るように、レーザが表面１０２に沿って移動すると、連続的な横方向凝固領域６０４（ビーム幅６０２の長さの約半分）が生成される。

上述したように、公称ステップサイズ６０４は、一般には理論最大ステップサイズより小さく、実際のステップサイズは、突起１０８近傍に強度ピークを持つことによって最大化できる。

図３を参照して、ステップ距離３０４は理論最大値より小さくできる。突起１０８を再溶融するのに余分なエネルギーを要し、光が突起１０８によって散乱されるためである。処理は、各セクションが冷えるごとに進むことができる。より小さなステップは、処理時間を増加させ、前回溶融したエリアを再溶融させる時間を浪費する。横方向凝固領域１０４の小さな部分３１０が、ビームからのフォトン３０８によって再溶融される。理解されるように、小さな部分３１０が大きいほど、膜表面１０２を処理するの要する時間が長くなる。従って、小さな部分３１０を最小化できる場合、即ち、より大きなステップサイズを達成できれば、一般には製造プロセスをスピードアップでき、より高速な処理時間およびより多くの生産量を導く。

図５Ａ〜図５Ｃは、より多くのエネルギーを突起１０８の場所に向けるために使用できる短軸空間強度プロファイルの一例を示す図である。図５Ａは、トップハット状のプロファイルを示す。一般に、図５Ａに示すように、急峻な両側を持つトップハット状プロファイルが好ましい。表面１０２に対してより均一なエネルギー印加をもたらすからである。しかしながら、上述のように、ステップサイズを増加させるために、より多くのエネルギーを突起１０８に向けることが好ましいこともある。

図５Ａに示すように、トップハット状プロファイルを持つビームのエネルギー密度を高くすることによって、より多くのエネルギーを突起１０８に向けることができる。しかし一般には、トップハット状空間プロファイルを持つビームのエネルギー密度を単に高くすることは充分でない。最終的に、アモルファスＳｉ膜に入射するビーム側において膜の損傷や凝集(agglomeration)を導くことがあるためである。

ビームの強度プロファイルと膜の必要溶融温度とで大まかに相関関係があるレーザビームの短軸プロファイルが、一般には好ましい。プロファイルは、損傷閾値を超えることなく、パルスステップ距離当たりの最大値を実現できるように調整することが可能である。

図５Ｂと図５Ｃは、突起１０８の場所と相関する、ビームのエッジで発生する強度ピークを持つ２つの短軸プロファイルを示す。例えば、係属中の米国特許出願第１０／８８４，５４７号（発明の名称：Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing System、２００４年７月１日出願。これは参照により全部記載されているものとしてここに組み込まれる。）の図８と図９に示すようなビーム配給およびビーム処置システムの適切な制御が、短軸空間強度プロファイルを操作するために使用できる。

図７は、図５Ｂに示したものと類似した短軸空間強度プロファイルを持つビーム７１２の使用を示す図である。上述したように、ビームの強度プロファイルと膜の必要溶融温度とで大まかに相関関係がある短軸レーザビームプロファイルが、一般には好ましい。図７から判るように、強度は、突起１０８の近傍で最大である。こうして、上述したように、増加した厚さおよび散乱に起因して、突起１０８を溶融するのに必要となる追加のエネルギーを提供するように、より多くのエネルギーを供給することができる。より多くのエネルギーが短軸プロファイルの左側部分に含まれるため、突起１０８の充分な溶融を確保しつつ、ステップサイズ７０４を理論最大値により接近するように増加させることが可能になる。

換言すると、図５Ｂおよび図５Ｃに示したような短軸空間強度プロファイルを用いることによって、部分３１０を減少でき、ステップサイズを増加できる。サイズの増加は実装に依存するが、突起１０８の場所において増加したビーム強度に起因して、ステップサイズは理論最大値により接近できることが理解されよう。ステップサイズは、例えば、全体ビーム幅について数百ナノメータまで増加させることができる。

図８は、ここで説明したシステムおよび方法に従って、液晶ディスプレイを製造するための表面処理システム８００の一例である。上述したような薄ビーム方向性結晶化は、横方向結晶成長の利点と、より高いスループットで、改善したポリシリコン均一性とを組み合わせており、溶融シリコン膜に必要なエネルギーの短軸空間強度プロファイルを調整している。

特別に設計されたレーザ８０２および特注のビーム形成光学系８０４を用いて、基板８０９は、長く薄いビーム８０８を用いて露光できる。ビーム形成光学系８０４は、例えば、図５Ａと図５Ｂに関して上述したように、短軸空間レーザビームプロファイルを生成できる。一実施形態では、長く薄いビーム８０８は、５ミクロン幅×７３０ｍｍ長までの寸法にできる。このビーム構成は、単一レーザパルスのとき、ガラス基板８０９の幅を横断して完全な網羅範囲を実現できる。５ミクロン幅の領域が完全に溶融されるため、シリコンは横方向結晶化によって凝固して、高い移動度のポリＳｉが得られる。

全体の基板８０９を処理するため、１回の通過で結晶化が生ずるように、ビーム８０８の下方においてガラスを走査できる。ガラスは一定の速度で移動可能であり、レーザは、約２μｍの平行移動の後に発射するようにトリガーをかけることができる。前回のストライプに新しいストライプをそれぞれ重ねることによって、新しいストライプが前回のストライプの良好なポリＳｉから「種成長」できる。システムは、全体の基板８０９に渡って長く均一な結晶粒の連続成長を達成できる。

薄ビーム方向性結晶化の実際の具体例は、例えば、システム内に３つの主要なコンポーネント、即ち、レーザ８０２、ビーム形成光学系８０４、ステージ８１０を含む。一実施形態では、長いビームを維持するように慎重に選定されたパワー、パルス周波数およびパルスエネルギーの組合せを持つ特別設計の高出力レーザ８０２と、高い走査レートが用いられる。このレーザ８０２は、例えば、現在利用できるレーザパワーの約３倍である９００Ｗのパワーを供給でき、最高のスループットを確保している。一実施形態では、当初、要求の厳しい半導体リソグラフ応用に向けて設計されたレーザ８０２が使用可能であり、基板全体に渡ってポリＳｉおよびＴＦＴ性能の良好な均一性を確保している。

一実施形態では、ステージ８１０は、ステッパーまたは並進機構(translator)を用いて、長く薄いビーム８０８の下方において移動可能である。こうしてビーム８０８の下方にあるパネル８０９の一部は、パネル８０９の種々の部分が処理できるように制御可能になる。一実施形態では、パネル８０９は、アモルファスシリコン膜でコートされたガラスパネルでもよい。こうしてビーム８０８は、パネル８０９上のシリコン膜表面を溶融するために用いられる。

最適なビーム形状を生成する光学システムが開発された。一実施形態では、最適なビーム形状は、基板の幅全体をカバーするのに充分に長く、結晶化プロセスを最適化するのに充分に狭くすることができる。高出力負荷の下での熱安定性および制御された焦点深度を確保して、光学系の寿命を最大化するように、光学システムに含まれる投射光学系の設計に注意が払われる。

一実施形態では、走査方向に迅速な動きを確保するために、レーザは、高い繰り返しレート、例えば、６ｋＨｚで動作する必要があり、ステージ速度は、例えば、約２ミクロンピッチで１２ｍｍ／ｓｅｃとすることができる。基板は、１回の通過で露光可能であり、第４世代の基板を露光するには約２００ｍＪ／パルスを必要とする。一実施形態では、６ｋＨｚ、９００Ｗのレーザを用いた薄ビーム結晶化システムは、第４世代のパネル全体をたった７５秒で処理できる。

ここで説明したシステムおよび方法に従って使用可能な表面処理システム８００の例示の実施形態のより詳細な説明は、米国出願第１０／７８１，２５１号、第１０／８８４，１０１号、第１０／８８４，５４７号、第１１／２０１，８７７号、に記載している。

図９は、アモルファスシリコンでコートされたガラスパネル９００を示す図である。ガラスパネル９００は、ここで説明したシステムおよび方法を用いて処理可能であり、回路エリア９０４およびディスプレイエリア９０６を形成し、これはディスプレイ９１６など、複数の単一ディスプレイを形成するために使用できる。各ディスプレイ領域９１８は、未処理のアモルファスシリコン領域９１２によって分離されている。回路エリア９０４およびディスプレイエリア９０６は、レーザビーム９０２をパネル９００上で矢印９１４の方向に通過させることによってそれぞれ形成できる。

パネル９００を処理して回路エリア９０４およびディスプレイエリア９０６を形成した後、異なるタイプの回路、例えば、トランジスタ、画素アドレス指定トランジスタ、即ち、ＴＦＴ、デジタル回路等がシリコン基板上に形成できる。

回路エリア９０４およびディスプレイエリア９０６の配置は、例えば、パネル９００の所定のレイアウトまたはマッピングをベースにできる。このレイアウトまたはマッピングは、レーザパルス間のステップ距離が発射ごとに変更可能なように、コントローラへの事前読み込みまたは連続的供給が可能である。従って、１つ又はそれ以上のパネル９００は、パネル９００の所定のレイアウトを用いて処理できる。例えば、パネルは、上述したＴＤＸプロセスを用いて処理可能である。

回路エリア９０４およびディスプレイエリア９０６は、異なる目的、例えば、回路エリア９０８にデジタル回路を形成したり、ディスプレイエリア９１０に画素アドレス指定トランジスタを形成する目的で使用してもよい。デジタル回路および画素アドレス指定トランジスタは、それぞれ異なる要件を有してもよい。例えば、ディスプレイエリアは、画素アドレス指定トランジスタのため高いレベルの均一性を必要とし、そうでなければ、一般には「ムラ(mura)」と称される視覚アーチファクトがディスプレイに生じ得る。これはＯＬＥＤを用いたディスプレイで特に現実的になる。

ＥＬＡ，ＳＬＳ，ＴＤＸなどのレーザベースのアニール方法の実施は、ムラをもたらすことがある。ムラの原因は、ディスプレイエリア９１０を作成するために用いた技術に依存して変化する。例えば、ＥＬＡプロセスでは、観察されるムラは、ショット(shot)ムラと呼ばれる。ショットムラは、レーザエネルギーがショット間で変化する場合、特に、ステップサイズが、最終的にシリコン膜上に堆積されるトランジスタチャネルとほぼ同じサイズである場合に生じ得る。ＥＬＡは、ステップサイズが１０〜２０μｍ幅で、４００μｍ幅のビームを使用できる。トランジスタチャネル寸法は、一般には１０〜２０μｍ幅のオーダーである。１つのレーザショットから次のショットまでのエネルギー変動は、材料不均一性の変動を生じさせる。

デシタル回路エリア９０８は、通常は見えることはなく、ショットムラ等の視覚アーチファクトは一般には重要でない。しかしながら、デシタル回路エリア９０８において性能が重要になることがある。例えば、高性能は、より高速なデジタル回路を導くことがある。

別々の要求の結果、パネル９００の異なるエリアで異なる処理技術を使用することが望ましいことがある。例えば、より良好な均一性をもたらすプロセスがディスプレイエリア９０６において使用でき、一方、より高品質をもたらすプロセスが回路エリア９０４において使用できる。一実施形態では、例えば、より伝統的なＥＬＡタイプのプロセスがディスプレイエリア９０６において使用でき、一方、上述したＴＤＸプロセスは回路エリア９０４において使用できる。さらに、同じツール、例えば、上述したＴＤＸプロセスで使用されるようなシステム８００を用いることによって、かなり小さなビーム幅がＥＬＡプロセスで使用でき、例えば、２０μｍ対４００μｍである。より小さなステップサイズ、例えば、１μｍ幅が用いられ、従来のＥＬＡツールを用いて達成されるものと比べて、より多くのショット／面積が得られる。これは、ディスプレイエリア９０６において各トランジスタに渡ってより多くの平均化を提供し、従来のツールが生成するＥＬＡショットムラの低減をもたらすようになる。さらに、同じツールがＴＤＸプロセスを実施できるため、高性能回路エリア９０４が、ビーム９０２の１回通過で同じ基板上に生成可能である。

従って、ツール８００は、各パルスがＳｉ膜を完全に溶融する上述のノーマルモードに対して、露光時にＳｉ膜が完全に溶融しない低エネルギーモードでＥＬＡを実施するように構成可能である。最適なエネルギー密度およびステップサイズの組合せを選んだ場合、得られる材料は、小粒化した均一なポリシリコンとなり得る。平均粒サイズをトランジスタチャネル寸法より何倍も小さくなるように調整して、多数の粒を活性デバイスエリア内に適合させ、多数の平均化を生じさせることが好ましいことに留意する。

こうして基板９００への入射ビーム９０２のエネルギー密度は、ビームが、高品質の方向性凝固化ポリＳｉを有することが望ましい領域、例えば、領域９０４に落射する場合は、ＴＤＸプロセスで通常用いられるエネルギーに切り換え可能であり、そして、画素アドレス指定に用いられる領域、例えば、領域９０６を走査する場合は、膜の完全溶融に必要なエネルギーより低いレベルに低下できる。こうしてディスプレイ９１６が、異なる動作モード、即ち、低エネルギーモードおよび高エネルギーモードを組み合わせることによって生成できる。

本発明の一定の実施形態を説明したが、説明した実施形態は例に過ぎないことは理解されよう。従って、本発明は、説明した実施形態に基づいて限定されるべきでない。むしろ、ここで説明した本発明の範囲は、上記説明および添付図面と関連して続く請求項の観点で限定されるべきである。

Claims (25)

1. 基板を処理するための装置であって、
   レーザ光を生成し、高エネルギーモードおよび低エネルギーモードを有するように構成されたレーザであって、高エネルギーモードは、シリコン膜を完全に溶融するのに充分な光エネルギーを生成するように構成され、一方、低エネルギーモードは、シリコン膜を完全に溶融するのに充分でない光エネルギーを生成するように構成されたレーザと、
   レーザと結合し、短軸および長軸を有するビームを生成するように構成されたビーム整形光学系と、
   基板およびシリコン膜を支持するように構成されたステージと、
   ステージと連結し、基板およびシリコン膜をステップ動作で前進させるように構成された並進機構とを備え、
   レーザが低エネルギーモードで動作する場合のステップサイズは、レーザが高エネルギーモードで動作する場合より小さくなるようにした装置。
2. 低エネルギーモードは、ディスプレイエリアを処理するために用いられる請求項１記載の装置。
3. 高エネルギーモードは、回路エリアを処理するために用いられる請求項１記載の装置。
4. 低エネルギーモードを用いた場合、短軸に沿ったビーム幅は、２０μｍである請求項１記載の装置。
5. 低エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、１μｍである請求項１記載の装置。
6. 低エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、基板上に形成される電子デバイスの幅に渡って１０回のレーザ発射が生ずるように構成される請求項１記載の装置。
7. 高エネルギーモードでのステップサイズは、理論最大ステップサイズ近傍に設定される請求項１記載の装置。
8. 高エネルギーモードは、基板の表面で７５０ｍＪ／ｃｍ^２を生成する請求項１記載の装置。
9. 低エネルギーモードは、基板の表面で２５０ｍＪ／ｃｍ^２を生成する請求項１記載の装置。
10. 高エネルギーモードでのステップサイズは、５μｍである請求項１記載の装置。
11. 高エネルギーモードでのステップサイズは、２．０μｍである請求項１記載の装置。
12. アモルファスシリコンでコートされたガラスパネルを処理するように構成された請求項１記載の装置。
13. 基板を処理するための装置であって、
    レーザ光を生成し、高エネルギーモードおよび低エネルギーモードを有するように構成されたレーザであって、高エネルギーモードは、シリコン膜を完全に溶融するのに充分な光エネルギーを生成するように構成され、一方、低エネルギーモードは、シリコン膜を完全に溶融するのに充分でない光エネルギーを生成するように構成されたレーザと、
    レーザと結合し、短軸および長軸を有するビームを生成するように構成されたビーム整形光学系と、
    基板およびシリコン膜を支持するように構成されたステージと、
    ステージと連結し、基板およびシリコン膜をステップ動作で前進させるように構成された並進機構とを備える装置。
14. 並進機構およびレーザ発射は、高エネルギーモードのステップサイズと比べて、低エネルギーモードではより小さいステップサイズを生成するように構成される請求項１３記載の装置。
15. 低エネルギーモードは、ディスプレイエリアを処理するために用いられる請求項１３記載の装置。
16. 高エネルギーモードは、回路エリアを処理するために用いられる請求項１３記載の装置。
17. 低エネルギーモードを用いた場合、短軸に沿ったビーム幅は、２０μｍである請求項１３記載の装置。
18. 低エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、１μｍである請求項１４記載の装置。
19. 低エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、基板上に形成される電子デバイスの幅に渡って１０回のレーザ発射が生ずるように構成される請求項１３記載の装置。
20. 高エネルギーモードでのステップサイズは、理論最大ステップサイズ近傍に設定される請求項１４記載の装置。
21. 高エネルギーモードは、基板の表面で７５０ｍＪ／ｃｍ^２を生成する請求項１３記載の装置。
22. 低エネルギーモードは、基板の表面で２５０ｍＪ／ｃｍ^２を生成する請求項１３記載の装置。
23. 高エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、５μｍである請求項１４記載の装置。
24. 高エネルギーモードを用いた場合、ステップサイズは、２．０μｍである請求項１４記載の装置。
25. アモルファスシリコンでコートされたガラスパネルを処理するように構成された請求項１３記載の装置。