JP7111783B2 - ファイバーレーザーによってアモルファスシリコン基板を均一に結晶化させるための方法及びシステム - Google Patents

Description

本開示は、フラットパネルディスプレイの製造に関する。特に、本開示は、一つ以上のファイバーレーザーからのレーザービームでアモルファスシリコンバックプレーンを制御可能にアニーリングすることによって、実質的に均一な多結晶構造を提供するように構成されたファイバーレーザーベースの方法及びシステムに関する。

フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ，ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ）の製造環境は、世界中で最も競争が熾烈で技術的に複雑なものになっている。デバイスの設計業者及び製造業者は、携帯電話、ＰＤＡ、他の小型製品に対するより高い解像度、より高い輝度、より大きいディスプレイ、より低い電力消費、より高速な映像性能という世界中の消費者の要求を満たすために努力し続けており、こうした要求は全て前世代の技術よりもコストがかかる。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ，ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）技術は、図１に示されるような高解像度、高性能の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ，ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ，ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）ＦＰＤのいずれであり得るＦＰＤの基礎となる。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、ａ‐Ｓｉ）の薄く半透明な層の上に作製され、各画素に対応するようにその層にわたってバックプレーンに配置される。

産業界では、ポリシリコン（ポリＳｉ）の使用が実現されていて、これは、ａ‐Ｓｉの電荷移動度よりも略二桁大きな電荷移動度を有し、画素サイズを実質的に減少させて、開口比及び画素解像度を改善する。こうしたポリＳｉの特性の結果として、現在では、携帯電子デバイスは、高解像度のフラットパネルディスプレイを特徴としている。

結晶化（アニーリング）によってａ‐ＳｉをポリＳｉに変換する方法としては基本的に二つの異なる方法がある。一方は、熱アニーリング（ＴＡ，ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法であり、他方は、本開示で特に関心がある低温ポリシリコンアニーリング（ＬＴＰＳ，ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙ‐ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法である。後者では、ａ‐Ｓｉをまず熱処理して、液体アモルファスＳｉに変換し、次に、それを特定の期間にわたって溶融状態で維持する。溶融状態を維持するのに十分な温度範囲は、初期形成多結晶を成長させて結晶化させることを可能にするように選択される。ＬＴＰＳ法は、エキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ，ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）及び逐次的横方向凝固（ＳＬＳ，Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）という一般的に二つの方法に基づいたものであり、後者が本開示の主題である。

ＥＬＡでは、エキシマレーザーが、基板上にコーティングされたａ‐Ｓｉ膜に向けて、３百ｎｍ台の波長のパルス紫外線（ＵＶ，ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）ビームを発射する。膜は、加熱されて、完全な膜厚よりも薄い厚さに溶融される。膜の底部に残存しているａ‐Ｓｉの孤立化したアイランドが、更なる結晶成長用のシードとして機能する。結果物の粒の均一性が、フラットスクリーン等のエンドデバイスの高性能にとって重要であるが、これは、少なくとも幅０．４ｍｍのビームで膜を走査する際における同じフルエンスでの各箇所の複数回照射の結果として達成される。典型的には、膜の各箇所において所望の粒の均一性を達成するためには、少なくとも２０パルスが必要である。

現状のＥＬＡの開発を駆り立てる基本的な問題の一つは、膜製造のより柔軟な制御を可能にするように横方向成長の本質的に不安的な条件に対処することである。この点に関し、この問題に対処する色々な方法を、制御ＳＬＳとしてまとめることができる。

上述の伝統的なＥＬＡとは対照的に、ＳＬＳは、エキシマレーザーからのビームによって膜の底部のシードアイランド無しでａ‐Ｓｉ膜の全厚さを溶融させることを含む。結果として、結晶化は、溶融膜の両側からの成長が主となる。つまり、成長は横方向成長である。横方向に発達した結晶粒は、大きな水平寸法で広がり得る。粒がより大きく成長するので、電子移動度が上昇し、有利となる。

横方向成長は、膜でコーティングされた基板及びレーザービームを互いに相対的にシフトさせることによって達成される。膜の各箇所に対して照射を二度行うことを含む方法は、２ショットＳＬＳとして知られている。

歴史的に、エキシマレーザーは、ＥＬＡ法及びＳＬＳ法のいずれでも使用されていて、ＴＦＴフラットパネルディスプレイのアニーリングにとって支配的である。エキシマレーザーは、多様な処理パワーを提供し、その平均範囲は、３００Ｗまで又はそれ以上の処理パワー、１Ｊ以上のエネルギー、３０から３００ｎｍまでの範囲の典型的なパルス幅というものである。また、エキシマレーザーは、追加的な周波数変換無しでａ‐Ｓｉに直接吸収される波長（３０８ｎｍ）でＵＶ光を伝送する。

エキシマレーザーのパルス周波数は比較的低い。出願人の知るところでは、ＳＬＳ法においては６ｋＨｚを超えず、標準的なＥＬＡにおいては顕著に低い。ＳＬＳに関して、高エネルギーに繋がるｋＨｚ周波数では、エキシマは、丸一日かかる複数のガス変化を必要とし、大量生産には向いていない。

エキシマベースのアニーリングシステムは、大型の嵩張る構造（図２及び図３）であり、市場では数十万ドルから１０００万～１５００万ドル以上のコストとなる。つまり、高価である。動作時には、エキシマはアップタイム（動作可能時間）が短いこと（又はダウンタイム（動作不可能時間）が長いこと）で知られていて、その理由は多様なものであるが、特に、頻繁なガスの再充填と、これに続く調整が挙げられる。これに加えて、高いメンテナンスコストとして、数か月に一度のコストがかかり重労働なチューブの交換が挙げられる。

従って、単純で安価で、メンテナンスをほとんど又は全く必要としないファイバーレーザー源でエキシマレーザーを置き換える必要性がある。

ガラス、ポリマー、非シリコン結晶の基板上のａ‐シリコン膜をアニーリングするための本発明のＳＬＳ法及びレーザーベースのシステムは、ａ‐Ｓｉ膜を実質的に均一なサイズの多結晶粒構造に変換するように動作可能な一つ以上のファイバーレーザーの使用に基づく。ａ‐Ｓｉの各箇所の結晶化は、ＵＶ光の複数のバースト又はパケットを箇所に照射することを含み、各バーストは、既存のエキシマレーザーのものとは比較にならないほど高いＭＨｚパルス繰り返し率で放出される複数のパルスによって定められる。１００ｐｓから２ｎｓの範囲で制御可能に異なるパルス持続時間と、３から２０ｎｓの間の範囲のパルス間距離では、レーザー照射の結果として励起される原子は、パルスとパルスとの間で移動度を失わない。

本発明の一態様によると、アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）膜を結晶化させるための本発明のシステムは、不規則なパルス繰り返し率で複数のパルスを放出するように動作可能なファイバーレーザー源を備えて構成される。

本開示の他の態様は、バースト繰り返し率（ＢＲＲ，ｂｕｒｓｔ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）で膜照射光の複数の離散的なパケットと、ＢＲＲよりも高いパルス繰り返し率（ＰＲＲ，ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）で放出される各パケット内の複数のパルスとを含むパルスラインビームを放出するようにファイバーレーザー源を制御するように動作可能なコントローラに関する。ファイバーレーザー源は、各パケットが、少なくとも一つのパケットに晒される膜の各箇所においてａ‐Ｓｉをポリシリコン（ｐ‐Ｓｉ）に変換するのに十分な所望のパケットの時間的パワープロファイル（Ｗ／ｃｍ^２）及びパケットエネルギーを有するように制御可能な各パルスのパルスエネルギー及びパルス持続時間並びにＰＲＲで動作する。

上記態様の本発明のシステムの構造変形例の一つによると、ファイバーレーザー源は、主発振器パワーファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ，ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）光学方式で構成される。主発振器は、基本周波数でシングルモード（ＳＭ，ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ）又は低次モード（ＬＭ，ｌｏｗ ｍｏｄｅ）のポンプ光を出力するシードとして機能し、単一周波数（ＳＦ，ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ダイオードレーザー又はＳＦファイバーレーザーから選択される。パワー増幅器は、１マイクロメートル波長範囲の基本波長のポンプ光を増幅するように動作可能なイッテルビウム（Ｙｂ）ドープブースターとして構成される。システムは、更に、ポンプ光の基本波長を、ａ‐Ｓｉ膜に入射する膜照射光の５百ｎｍ台の波長、例えば５３２ｎｍ等の波長に変換する第二次高調波発生器（ＳＨＧ，ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を含む。

本システムの他の構造変形例によると、第三次高調波発生器（ＴＨＧ，ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が、上記本開示の態様に従って構成された構造に組み込まれる。ＴＨＧは、ＳＨＧとａ‐Ｓｉ膜との間に位置して、５百ｎｍ台の波長を、膜照射光の３百ｎｍ台の波長、例えば３５５ｎｍの波長に変換するように動作可能である。

上記各態様による本発明のシステムの更に他の構造変形例は、サイドポンプ方式でパワーファイバー増幅器をポンピングすることを含む。代わりに、ポンプ方式は、ポンプ光が膜照射光の方向と逆方向でパワー増幅器のコア端部に結合するように構成される。

上記各態様に開示される本発明のシステムの更に他の構造変形例では、ファイバー増幅器は、ダブルボトルネック型断面、又はボトルネック型断面を有する。パワーファイバー増幅器のコアは、複数の横モードを誘導し得るが、それらは基本波長におけるものであり、パワーファイバー増幅器は、基本モードのみで膜照射光を出力する。

上記各態様のファイバーレーザー源は、線幅拡張システムを備えて更に構成されて、パワーファイバー増幅器の有害な非線形効果の閾値を増大させる。また、これら二つの態様の本発明のシステムには、ａ‐Ｓｉ膜の所望の箇所に一続きのパルスを制御可能に伝えるパルスピッカーが設けられる。

本発明の第三態様は、上記態様及びそれらの構造変形例の本発明のシステムでアモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）膜を制御可能にアニーリングするための方法に関する。本発明の方法は、バースト繰り返し率（ＢＲＲ）で基本波長の光の一続きのパケットを放出することと、ＢＲＲよりも高いパルス繰り返し率（ＰＲＲ）で各バースト内の複数の光パルスを放出することとを含む。本発明の方法は、ＰＲＲと、各パルスのパルスパラメータとを制御して、所望のパケットの時間的パワープロファイル（Ｗ／ｃｍ^２）及び所望のパケットエネルギーを有する各パケットを提供することを含む。所望の時間的パワープロファイル及び所望のパケットエネルギーは、膜に入射する少なくとも一つの光パケットでａ‐Ｓｉ層の所定の領域を実質的に均一に結晶化させるのに十分なものである。

本開示の更なる態様に係る本発明の方法は、可変繰り返し率で複数のパルスを放出するように本発明のファイバーレーザー源を活動させること、及び、ａ‐Ｓｉ膜の少なくとも一つの所定の領域にパルスを向けて、ａ‐Ｓｉ膜を実質的に均一に結晶化させることを含む。

本開示の第三の最後の態様の本発明の方法の一変形例は、パケットのデューティサイクル、パルス持続時間、パルス振幅、パルスのデューティサイクル、又はこれらのパラメータの所望の組み合わせを制御することに関する。

方法に関するこれら二つの態様の他の変形例によると、本発明の方法は、ＸＹ平面の一方向又は両方向においてａ‐Ｓｉ膜を結晶化させることを含む。

上記及び他の態様、特徴及び利点は、図面と共に以下の具体的な説明から容易に理解されるものである。

フラットスクリーンの分解図である。 ＬＴＰＳ法で用いられるエキシマレーザーの概略図である。 図２のエキシマレーザーを組み込んだ典型的なＬＴＰＳモジュールの図である。 本開示のシステムの概略図である。 図４の本発明のシステムのレーザー源を示す。 図５の本発明のレーザー源の光学系を示す。 図４及び図５の本発明のレーザー源から放出されたパルスの連続的なバーストの概略図である。 一実施形態に係る本発明のレーザー源のブースターの概略図である。 他の実施形態に係る本発明のレーザー源のブースターの概略図である。 パルスのバーストの好ましい形状を示す。 ＬＣＤバックプレーンの平面図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ又は同様の参照番号を図面及び明細書において用いて、同じ又は同様の部分又はステップを示す。図面は、単純化されていて縮尺通りではない。特に断らない限り、明細書及び特許請求の範囲の単語及び用語は、ダイオード及びファイバーレーザー分野の当業者にとって一般的で慣習になっている意味として与えられる。“結合”及び同様の単語は、必ずしも直接的な直の接続を示すものではなく、自由空間や中間要素を介した機械的及び光学的接続も含む。本開示の基本的な目標は、標準的なＥＬＡ及びＳＬＳのどちらも含むシリコンアニーリング法の生産性を上昇させ、現状で利用可能なアニーリングシステムの製造コスト及び動作コストを顕著に減少させることである。本発明のアニーリングシステムは、上記方法を行うために特別に構成されたファイバーレーザー源に基づく。本目標は、ａ‐Ｓｉ層を実質的に均一に結晶化させるために可変繰り返し率で複数のパルスを放出するファイバーレーザー源を備えるシステムによって達成される。

図４及び図５は、本発明のアニーリングシステム５０の基本構成を示す。一般的に、システム５０は、レーザーモジュール５５を備えて構成されたレーザー源を含み、そのレーザーモジュール５５は、シードレーザー、任意で一つ以上のファイバー前置増幅器、ファイバーブースター、電子機器、ポンプ、所望のレーザー動作に必要な他の全ての手段を収容する。また、システム５０は、ポンプ光の基本周波数を高調波に変換する一つ以上の高調波発生器、ガイド及び集束光学系を含む携帯型光学レーザーヘッド５６を含む。フレキシブルケーブル５４が、自由空間にわたって延伸し、モジュール５５及び光学ヘッド５６を光学的に結合させるブースターステージの活性ファイバーは遮蔽される。代わりに、フレキシブルケーブル５４は、モジュール５５内に又は別途のモジュールに収容されたブースターを備える標準的な伝送ファイバーとしても機能し得る。

集束光学系は、ａ‐Ｓｉ膜６２を支持するガラス層又はサブ基板６６を含む基板６０にパルスレーザー出力ビーム５８を誘導する。コリメートされた出力ラインビーム５８、例えば、７３０×０．４ｍｍ^２の寸法のラインビームが、ａ‐Ｓｉ６２をアニーリングして、ポリシリコンの実質的に均一な粒６４を形成する。基板６０は、並進移動ステージ８５に固定されて、ラインビーム５８が、静止したａ‐Ｓｉ膜６２の表面にわたる走査を行えるようにする。代わりに、膜を備える基板をレーザーヘッド５６に対して変位させ得る。更に他の可能性としては、レーザーヘッド５６及び基板６０を両方とも互いに対して制御可能に変位させる。

次に図６を参照すると、図４のシステム５０に備わる例示的なファイバーレーザー源が示されている。モジュール５５は小型軽量である。特に、レーザー源の出力パワーが互いに近いものとして、モジュール５５と図２のエキシマレーザーを比較すると、そのモジュールのサイズは図面に示されるように２０ドル紙幣相当であり、モジュールの小型さを実感できる。モジュール５５は重さ略１２ｋｇで、その形状因子は５３２ｍｍ×３３２ｍｍ×５２ｍｍである。

高パワー“グリーン”ＵＶレーザーの大抵の応用は、比較的高い平均パワー及び比較的低いピークパワーから主に恩恵を受けている。こうした条件は、高い繰り返し率で、高いデューティサイクルの準連続波（ＱＣＷ，ｑｕａｓｉ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）のレーザー源５０によって最良に満たされる。

レーザー源は、主発振器パワーファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ，ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）設計を有し、シード及び少なくとも一つの増幅段を含む。シード８０は、ダイオード又はファイバーレーザーのいずれかから選択可能である。シード８０は、Ｍ^２が最大で２の低次（横）モードＩＲ光を出力し得るが、図面に示される例示的なシード８０は、単一横モード（ＳＭ，ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍｏｄｅ）で、単一周波数（ＳＦ，ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で、直線偏光（ＬＰ，ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）レーザーで、分布帰還型（ＤＢＦ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）の半導体レーザーである。シードレーザー８０の入力における電流は、シードレーザードライバー１８によって直接変調される。マッピングされたａ‐Ｓｉ膜５２（図４）に対してアニーリングすべき所望の箇所が既知の方法で決定されると、シードレーザードライバー１８が、コントローラ８５から受信した信号に応じて動作する。

図７に示す発明の顕著な特徴の一つでは、不均一な繰り返し周波数又は率において光パルスを放出するようにシード８０を駆動させる。特に、シード８０は、制御可能なバースト繰り返し率（ＢＲＲ，ｂｕｒｓｔ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）で波長１０６４ｎｍのパルス７０の一続きのパケットを出力する。しかしながら、各パケット内の一続きのパルス７２を、ＢＲＲとは異なるパルス繰り返し率（ＰＲＲ，ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）で発生させる。

ＰＲＲは、結晶化プロセスの時定数以下、好ましくはそれよりも低くなるように選択され、１００ＭＨｚから２００ＭＨｚの間で異なり得る。本発明の結晶化プロセスでは、時定数は略２０ｎｓである。現状において、システム５０のワーキングモデルは、１５０ＭＨｚのＰＲＲで動作する。本発明の範囲内のパルス持続時間は、１００ｐｓから略２ｎｓまでの間で制御可能なものとなり得る。パルス間持続時間が時定数を超えないという条件において、デューティサイクルもコントローラ９２によって制御可能に異なり得る。現状では、実験的システムは、パルス幅１．３ｎｓで、隣接するパルス間の時間間隔が略６．６７ｎｓで動作する。ＰＲＲ及びデューティサイクルを変更することによって、パルス幅は容易に調整可能である。例えば、ＰＲＲを増大させる及び／又はデューティサイクルを減少させることによって、パルス幅は減少する傾向にある。

各パケットの持続時間は、３０ｎｓから５００μｍまでの間で制御可能に異なり得て、５０から２００μＪまでで異なるパケットエネルギーをそれぞれ有する二つの３００ｎｓバーストで同じ照射領域内に粒の所望の均一性を与えるためには、３００ｎｓで十分である。ＢＲＲは以下の二つの条件を満たすように選択される。１．溶融Ｓｉが凝固すること； ２．発生した熱が、基板６０を損傷せずに基板６０内に拡散すること。両方の条件は、Ｘ方向及びＹ方向の一方に沿って高度に均一な粒を有するｐ‐Ｓｉ６４を与える略７５ｋＨｚから略１ＭＨｚまでの間の範囲のＢＲＲで良好に満たされる。

まとめると、各パルスのパルスエネルギー及びパルス持続時間並びにＰＲＲは、各パケットが、少なくとも一つの光パケットに晒される膜の各箇所におけるａ‐Ｓｉの変換を与えるのに十分な所望のパケットの時間的パワープロファイル（一秒当たりのＷ／ｃｍ^２）及びパケットエネルギーを有するように制御される。時間的パワープロファイル及びパケットエネルギーは、当業者には既知のように容易に測定可能なパラメータである。

シード８０から基本波長で放出された赤外（ＩＲ，ｉｎｆｒａｒｅｄ）光は、一つ以上の任意のイッテルビウム（Ｙｂ）ドープファイバー前置増幅器８２及びＹｂファイバーブースター８４において最大で数ｋＷレベルの平均パワーまで順次増幅される。増幅ＩＲ光の単一周波数及び高次性の両方が、第二次高調波発生器（ＳＨＧ，ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）８６、そして、もし利用するのであれば、第三次高調波発生器９０を含む周波数変換方式の高い変換効率をもたらす。一方、ファイバー増幅器における高パワー、つまりは高変換効率の制限の一つは、特に、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ，ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）という望ましくない非線形現象として知られている。ＳＢＳの影響を緩和するための知られている多様な方法のなかでは、シード８０の線幅を広げて、ブースター８６におけるＳＢＳの閾値を増大させることが用いられることが多い。そこで、システム５０は、ファイバー増幅器におけるＳＢＳ閾値を数ｋＷレベルに増大させるように動作可能な線幅拡大システム（ＬＢＳ，ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）９４を更に有する。ＬＢＳ９４は、ノイズ源と、ＲＦ増幅器と、位相又は振幅変調器とを備えて構成され得る。使用される変調器の種類にかかわらず、拡大システムは、シード８０からの光の単一周波数の線幅を１０から４０ＧＨｚまでの間の線幅に一様に広げるように構成される。

図６に加えて図８を参照すると、ブースター８４は、基本波長のＳＦ ＩＲ光を最大で数ｋＷのピークパワーレベルまで増幅するように動作可能であり、一方、ＩＲ光の平均パワーはピークパワーの略１／２となり得る。上述のように、ブースター８４は、ｋＷレベルのピークパワーで動作するが、ブースター８４の入力において広げられた光の線幅に起因するだけではなく、ブースターの構成に起因してＳＢＳ閾値未満で動作する。特に、ブースター８４のＹｂドープアクティブファイバー９５は、ダブルボトルネック型のモノリシックなＭＭコア１０２を有するが、そのＭＭコア１０２は、単一の基本モードで実質的に放射を放出するように構成される。特に、ＭＭコア１０２は、入力及び出力における同一の小さな直径の端部領域１０６を含み、その端部領域の寸法は、アクティブファイバー９５の両端に溶融接合された入力パッシブＳＭファイバー１００及び出力パッシブＳＭファイバー１１２にそれぞれ実質的に整合するモードフィールド直径を有するようにされる。更に、ＭＭコア１０２は、端部領域の直径よりも大きな均一の直径を有するＭＭコアの中心の増幅領域の側面に位置する入力及び出力のモード変換テーパ領域１１０を備えて構成される。中心領域の直径の増大は、誘導された光のパワー密度を減少させて、これはＳＢＳ閾値を増大させる。単一又は複数のクラッド１０８は、コア１０２と同じ断面を有するか、又は、標準的なシリンダー状の断面な等の異なる断面を有し得る。

図８に示されるように、ブースター８４はサイドポンプされる。ブースターのポンプ１１４は、コントローラ９４によって制御可能な複数のＭＭ電流変調ダイオードレーザーを備えて構成され得る。ＭＭポンプ光伝送ファイバー１１６は、増幅コア領域１０４を取り囲むクラッド領域１０８に平行に延伸してこれに結合された中心部分を有する。

図９は、ブースター８４の代替構成及びエンドポンプ方式を概略的に示す。ブースター８４は、フレキシブルケーブル５４（図４）によって取り囲まれて、図８のモノリシックなＭＭコア１０２を有する。ＭＭコア１０２は、レーザーヘッド５６に取り付けられたブースター下流端に向けて広がるシングルボトルネック型の断面を備えて構成される。ＭＭコアの他方の上流端は、ＩＲ光がこの端に結合される際に一つの基本モードのみがＭＭコア１０２内に励起されるような寸法にされる。一つ又は複数のポンプ伝送ポンプファイバー１１６は、図８のポンプ１１４からのポンプを誘導するものであり、ケーブル５４内に延伸し、ブースター８４の広がった下流端に機械的に結合されてもされなくともよい。ポンプ伝送ファイバー１１６から放出されたポンプ光は、湾曲した反射器１１８に入射し、その反射器１１８は、信号光ＩＲの方向に対して逆伝播方向ＰＬでコア１０１の遠位端内にポンプ光を誘導するように構成される。増幅されたＩＲ光は、光伝播方向において反射素子１１８に設けられた開口１２０を通って伝播する。

図４及び図８と組み合わせて再び図６を参照すると、コントローラ９２は、ポンプ１１４（図８）のドライバに結合される信号を発生させて、ポンプダイオードレーザー１１４の入力における電流を変調させるように構成される。大抵の場合、本開示のレーザー源は、連続的に動作するポンプ１１４（図８）で動作する。しかし、連続ポンプ動作が不要であり、更にはレーザーシステム５０の完全性を損ない得るという状況も容易に想定される。例えば、ＢＲＲが低過ぎる場合、ブースター８４のオーバーポンプは、壊滅的な結果に繋がり得る。段８５（図４）の周期的な加速／減速も、ポンプ１１４の動作をシャットダウンする理由となり得る。ポンプ１１４の停止を要するこのような状況及び他の状況のため、コントローラ９２は、一時的にポンプ１１４をシャットダウンする信号を発生させ得る。

ポンプ１１４は、コントローラ９４からの信号に応答した可変パワーでポンプ光を出力するようにも動作し得る。これは、パケット７０内の個々のパルス７２の振幅を異ならせることを可能にし、これは、図１０に見て取れるように、個々のパケット７０の全エネルギー及びパケット毎の時間的パワープロファイルの制御可能な調整に繋がる。

増幅されたＩＲ光は更にＳＨＧ８６に入射し、そのＳＨＧ８６は、非線形ＬＢＯ結晶を含み、ＳＨＧの一回通過で基本波長の増幅ＩＲ光を変換し、緑色光を、例えば、波長５３２ｎｍで、数百ワットから略１．５ｋＷまでの範囲の平均パワーで出力する。シリコン固有の特性に起因して、確立された品質基準で、図４のａ‐Ｓｉ膜６２を結晶化させて、ｐ‐Ｓｉ膜６４を形成するのに十分な緑色光の特性を実現することができる。

代わりに、ＩＲ及び緑色光（例えば、５百ｎｍ台）のビームは、自由空間にわたって、任意で上流のフィルタ８８を通って伝播し続けて、能動的安定化／問題解決用の性能を測定するピックオフを実現し、ＬＢＯ結晶を備えて一回通過方式で同じく構成される第三次高調波発生器（ＴＨＧ，ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）９０に当たる。ＴＨＧ９０は、基本周波数の第三次高調波を発生させるように構成され、波長略３５５ｎｍでＵＶ範囲の光を発生させるような和周波混合を用いる。図４、図６及び図７のファイバーレーザー源は、５１０～５４０ｎｍの波長範囲で１５％から３０％までの間のウォールプラグ効率で動作する。

図６の本発明のシステム５０は、パケットピッカー／スプリッター９５を備えて構成され得て、パケットピッカー／スプリッター９５は、システム５０が５百ｎｍ台の波長範囲で動作するのか３百ｎｍ台の波長範囲で動作するのかに応じて上流のフィルタ８８又は下流のフィルタ９２のいずれかの下流に位置する。この構成要素は多様な状況において利用され得る。上述のように、出力パワーは増大する傾向にある。これは、バーストの繰り返し率を増大させることによって最も簡単に実現される。しかしながら、ＢＲＲが高過ぎる場合、連続するパケット間の時間は、溶融Ｓｉが十分に冷却するには不十分となり得る。そこで、パケットピッカー、例えば、多角形体、ガルバノメーター、機械的ツール、音響光学変調器、電気光学変調器等を用いて、膜の初期領域に対する照射を行った元々のパケットに続く第二のパケットを、異なる領域に対する照射を行うようにリルートすることができる。一方、元々の領域は、第二のパケットに続くパケットによって照射され得る。こうしたツール及びその動作の詳細は、本願と同時に出願された米国特許出願の主題の一部である。

図６及び図７と共に図１０を参照すると、上述のように、制御されるパラメータとして、特に、パルス繰り返し率、バースト繰り返し率、パルス及びパケットのデューティサイクル、個々のパルスの強度、つまりはパケットエネルギー、その時間的パワープロファイルが挙げられる。好ましくは、各パケット７０は、立ち上がりで高いピークパワーを有し、立ち下がりで低い強度ピークを有するように成形される。

図１１は、数百万個の固体シャッタのアレイを典型的には有する高解像度ＬＣＤを示し、これらシャッタは、それぞれ赤色、緑色、青色の画素１２０においてバックライトからの光を透過させ又は遮断する。各画素は、実際の液晶物質又は透明領域１４０を制御する透明電極を有する。各電極は、光の一部を遮断するトランジスタ領域とも称されるＴＦＴ１６０によって制御され、また、ＴＦＴと不透明なシリコン領域を共有する。不透明なＴＦＴと他の画素の透明領域との間の面積比は、開口比と呼ばれる重要な測定基準の一つである。原理的には、ＴＦＴ領域１６０のみが結晶化される一方、ａ‐Ｓｉ６２の残りの部分はそのままとなり得る。本開示のシステム５０では、ｐ‐Ｓｉを選択的に形成し得て、不透明／透明の面積比は１：１から１：５までとなる。

上記説明に基づくと、本開示のファイバーベースのシステム５０の生産性Ａ、つまり、何平方メートル（ｍ^２）の基板６０を、時間単位当たり（一時間当たり等）でアニーリングすることができるのかという生産性は、システム５０及び既存のシステムの出力パワーが実質的に同じで、例えば１．２ｋＷであるとすると、既知のＬＴＰＳ ＥＬＡ法における生産性よりもはるかに高い。その理由は、第一に、本開示のシステム５０の出力部が、基板６０（図４）の各領域又は選択された領域に、ａ‐シリコンを結晶化させるのに十分なパルスの少なくとも一つのバーストを、２０回ではなくて、それよりも顕著に少ない回数で照射するように構成され得るからである。そして、実験データに基づくと、各トランジスタ領域のレーザー処理される面積は、ＬＴＰＳ ＥＬＡ法でのトランジスタ領域の面積と比較して、略５０％に減少し得る。総合的には、生産性を増大させる上記本開示の要因に基づくと、本開示のＬＴＰＳ法の生産性Ａｎは、既知のＬＴＰＳ ＥＬＳ法の生産性Ａｏよりも１０から２０倍高くなり得て、つまり、Ａｎ≒（１０～２０）Ａｏとなり得る。

本開示のファイバーレーザーベースのアニーリングシステムに多様な修正及び変更を行うことができることは当業者には明らかである。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内にある本開示の修正及び変更に及ぶものである。

５０ アニーリングシステム
５４ フレキシブルケーブル
５５ レーザーモジュール
５６ レーザーヘッド
５８ ビーム
６０ 基板
６２ アモルファスシリコン
６４ ポリシリコン
６６ サブ基板
８５ 並進移動ステージ

Claims (18)

1. アモルファスシリコン膜を結晶化させるためのシステムであって、
   パルスラインビームを放出するように動作し、主発振器パワーファイバー増幅器光学方式を有するように構成された準連続波ファイバーレーザー源であって、主発振器はシードレーザーとして機能し、シードレーザーの入力における電流は、シードレーザードライバーによって直接変調される、準連続波ファイバーレーザー源と、
   バースト繰り返し率で光の複数の離散的なパケットを放出し、バースト繰り返し率よりも高いパルス繰り返し率で放出される各パケット内の複数のパルスを放出するように主発振器を制御するように動作するコントローラとを備え、
   少なくとも一つのパケットに晒される膜の各箇所においてアモルファスシリコンをポリシリコンに変換するのに十分な所望のパケットの時間的パワープロファイル及びパケットエネルギーを各パケットが有するように、各パルスのパルスエネルギーとパルス持続時間とパルス繰り返し率とが制御される、システム。
2. ファイバーレーザー源が、１００ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの間の範囲のパルス繰り返し率で各パケット内のパルスを放出し、数十ｋＨｚから略１ＭＨｚまでの間のバースト繰り返し率でパケットを放出する、請求項１に記載のシステム。
3. ファイバーレーザーが、５０ｎｓから５００μｓまでの間の持続時間をそれぞれ有するパケットを制御可能に放出する、請求項１に記載のシステム。
4. ファイバーレーザーが、連続するパルス間の時間間隔が３ｎｓから２０ｎｓの範囲にあるように各パケット内のパルスを制御可能に放出する、請求項１に記載のシステム。
5. ファイバーレーザー源が、主発振器パワーファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）光学方式で構成されていて、
   主発振器が、単一周波数ダイオードレーザー又は単一周波数ファイバーレーザーから選択されたシードであり、１μｍの波長範囲において基本波長でシングルモード又は低次モードの光を放出するように動作し、低次モードのポンプ光のＭ^２値が最大で２であり、
   パワー増幅器が、イッテルビウムドープブースターであり、各パケットのピークパワーがｋＷ範囲にあり、各パケットの平均パワーがピークパワーの略半分でｋＷレベルに達するように基本周波数のポンプ光を増幅するように動作し、
   ファイバーレーザー源が、更に、イッテルビウムファイバーブースターの下流に位置する第二次高調波発生器を備え、第二高調波発生器が、ポンプ光の基本波長を、５百ｎｍ台の波長範囲の膜照射光の第一動作波長になるように半分にするように動作する、請求項１に記載のシステム。
6. ファイバーレーザー源が、膜と第二次高調波発生器との間に位置する第三次高調波発生器を更に備え、第三次高調波発生器が、膜放射光の第一動作波長を、３百ｎｍ台の波長範囲の膜照射光の第二動作波長に変換するように動作する、請求項５に記載のシステム。
7. サイドポンプ法又はエンドポンプ法でブースターに結合されるポンプ光を発生させるポンプを更に備え、ポンプは、コントローラに動作可能に接続された電流変調マルチモードダイオードレーザーを含む、請求項５又は６に記載のシステム。
8. ファイバーブースターが、少なくとも一つのクラッドによって取り囲まれたモノリシックなマルチモードコアを有するアクティブファイバーを含み、マルチモードコアが、基本波長において単一の基本モードをサポートし、ダブルボトルネック型の断面を有する、請求項７に記載のシステム。
9. ファイバーブースターが、
   ファイバーブースターの遠位端に向けて広がるモノリシックなボトルネック型の断面を有して構成されたモノリシックなコアと、
   コアを取り囲む少なくとも一つのクラッドと、
   ファイバーブースターの遠位端に対向し、ポンプからの光を基本波長でポンプ光の方向の逆方向においてコア内に反射させるように構成された反射器と、を備える、請求項７に記載のシステム。
10. 主発振器とファイバーブースターとの間に結合され、音響変調器又は振幅変調器から選択された線幅拡大システムを更に備える請求項７に記載のシステム。
11. ポリゴンミラー、ガルバノメーター、音響光学変調器、又は電気光学変調器から選択されたパケットピッカーを更に備える請求項１に記載のシステム。
12. ポンプが、連続方式又はパルス方式で動作し、均一パワー又は制御可能な可変パワーでポンプ光を出力するように構成されていて、ブースターが、各パケット内の均一な振幅で、又は不均一な振幅で各パルスを放出するように動作する、請求項７に記載のシステム。
13. パルスラインビームを放出するように動作し、主発振器パワーファイバー増幅器光学方式を有するように構成された準連続波ファイバーレーザー源を用いてアモルファスシリコン膜をアニーリングするための方法であって、
    バースト繰り返し率で基本波長の光の一続きのパケットを放出することと、
    バースト繰り返し率よりも高いパルス繰り返し率で各バースト内の複数の光パルスを放出することと、
    パルス繰り返し率と、各パルスのパルスパラメータとを制御して、所望のパケットの時間的パワープロファイル及び所望のパケットエネルギーを有する各パケットを提供することと、
    アモルファスシリコン膜の少なくとも一つの所定の領域に光の一続きのパケットを向けることと、を備え、
    所望の時間的パワープロファイル及び所望のパケットエネルギーが、光の少なくとも一つのパケットでアモルファスシリコン層の所定の領域を実質的に均一に結晶化させるのに十分なものであり、
    主発振器はシードレーザーとして機能し、シードレーザーの入力における電流は、シードレーザードライバーによって直接変調される、方法。
14. パケットのデューティサイクルを制御することを更に備え、各パルスの制御可能なパラメータが、パルス持続時間、パルス振幅、デューティサイクル、及び、これらのパラメータの組み合わせから選択される。請求項１３に記載の方法。
15. 光の一続きのパケットを向けるステップが、
    アモルファスシリコン層の全領域を結晶化させることによって、実質的に均一な多結晶粒構造を備えるアモルファスシリコン層の全表面を提供すること、又は、
    アモルファスシリコン層の領域を選択的に結晶化させることによって、実質的に均一な多結晶粒構造を備えるアモルファスシリコン層の複数の個々の領域を提供することを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 光の一続きのパケットを向けるステップが、Ｘ及びＹ平面の一方向又は両方向においてアモルファスシリコン膜を結晶化させることを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 光の一続きのパケットをアモルファスシリコン膜に照射する前に、第二次高調波発生器を介して光のパケットを誘導することによって、１μｍ波長範囲の基本波長を５百ｎｍ台の波長に変換することを更に備える請求項１３に記載の方法。
18. ５百ｎｍ台の波長を３百ｎｍ台の波長に変換するように動作する第三次高調波発生器を介して５百ｎｍ台の波長の光のパケットを誘導することを更に備える請求項１７に記載の方法。

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