WO2011054454A1 - Verfahren und vorrichtung zum kristallisieren einer amorphen halbleiterschicht mit einem laserstrahl - Google Patents

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WO2011054454A1
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Kai Schmidt
Klaus Pippert
Stephan Wieneke
Wolfgang Viöl
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Coherent Gmbh
Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen
Laser-Laboratorium Göttingen E.V. (Llg)
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Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for
  • Semiconductor material is converted locally into melt. Due to the typically pulse-like radiation input to a localized
  • a crystallization process which leads to the conversion of the originally amorphous into a polycrystalline semiconductor structure.
  • Such a thermally induced crystallization process which is also referred to as annealing process, is used in the production of polycrystalline Silicon-based technical units, such as. TFT thin-film transistors, etc. applied.
  • Thin-film transistors are preferably used in the field of flat screens, be it for PC, TV or other devices, especially in consumer electronics.
  • Thin amorphous silicon layers which are typically deposited by 50 nm on glass or plastic substrate substrates in layer thicknesses, are briefly melted by exposure to laser radiation using the so-called LTPS (Low Temperature Polysilicon Technology) method and solidify on cooling to form polycrystalline layers All are particularly suitable for the production of active matrix LCD and active matrix OLED.
  • LTPS Low Temperature Polysilicon Technology
  • amorphous layer preferably used excimer laser.
  • these lasers provide a high pulse energy, which is necessary for an efficient process.
  • lasers of other wavelengths for example 527, 532 nm, are also used in the development stage.
  • the laser beam is absorbed on the surface of the only 50 to 100 nm thin amorphous silicon layer, without heating the substrate and thus to damage.
  • the nearly rectangular beam profile of the excimer laser becomes a stable homogeneous line with a length of up to 465 mm and a width of only 0.4 mm
  • the energy density for this process is between 350 mJ / cm 2 to 400 mJ / cm 2 .
  • the amorphous silicon layer is not completely melted through. Crystal growth begins at the
  • this method has proven very well for the production of polycrystalline silicon layers for screens.
  • the industrial production of AM-OLED displays is possible according to the current state of the art only on LTPS surface substrates.
  • the production of 50 inch TV substrates requires a 650 mm to 750 mm long line.
  • Crystal grains can be influenced by controlled entry of radiant energy and an associated controllable temperature distribution within the acted upon by the laser beam semiconductor layer. In order to promote the highest possible field-effect mobility of free charge carriers within the forming polycrystalline semiconductor layer regions, it is necessary to use the
  • Hydrogen plasma contains free radicals and thus unbound electrons which combine with the unsatisfied crystal bonds at the defects within the crystal structure.
  • DE 693 27 559 T2 discloses a two-stage process for producing a film consisting of polysilicon.
  • a first step an amorphous silicon film is applied to a substrate surface by polishing silicon powder or by PVD or CVD deposition.
  • the amorphous silicon film is annealed by laser radiation to form silicon nuclei having grain diameters approximately equal to the silicon film thickness.
  • the silicon crystal grains that form are subjected to an etching process in the presence of hydrogen radicals which are generated by means of an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma apparatus and in the form of a stream consisting of hydrogen radicals
  • ECR Electro Cyclotron Resonance
  • JP2004-031511 A describes a normal pressure chamber in which a
  • Plasma processing apparatus and a laser irradiation device are arranged.
  • a substrate to be processed is first transported by means of a transport system to the plasma processing apparatus and then to the
  • Passed laser beam processing device With such a sequential processing can be dispensed with further purification steps.
  • the invention is based on the object, a method for crystallizing an amorphous semiconductor layer with a laser beam, with a homogeneous
  • illuminated beam cross-section is imaged at least on a surface region of the semiconductor layer, in such a way that the efficiency with which the laser radiation with the semiconductor material for its local heating and
  • claim 12 The solution of the problem underlying the invention is set forth in claim 1.
  • the subject matter of claim 12 is a device according to the invention for crystallizing an amorphous semiconductor layer.
  • the concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and the further description, in particular with reference to the
  • Normal pressure plasma is provided in the form of an ionized gas, which interacts with the illuminated by the laser beam semiconductor layer and / or with the laser beam.
  • Radiation energy coupling and radiation energy conversion into heat energy in the amorphous semiconductor layer to be crystallized can be significantly increased. This with both the laser radiation and with the semiconductor layer
  • Interactive normal pressure plasma can not or at least only
  • Normal pressure plasma consists mainly of ionized gas components of the air.
  • the normal pressure plasma serves as a mere means of enhancing the Light coupling into the amorphous semiconductor layer without this in their
  • the efficiency as well as the throughput of Annealinganlagen can thus be increased in a cost effective manner.
  • the solution according to the measure also allows the operation of per se known annealing processes under atmospheric pressure conditions, so that can be dispensed with complicated procedural and costly evacuation measures.
  • Plasma sources which are known per se are known plasma generators, with which a normal pressure or air plasma can be generated under atmospheric pressure conditions in each case at the location of the semiconductor layer surface illuminated by the laser beam.
  • a preferred embodiment for generating a normal pressure plasma provides for the arrangement of at least one high-voltage leading electrode, which is arranged opposite to the preferably at ground potential semiconductor layer.
  • An electric field is formed between the electrode and the semiconductor layer due to a specifiable electrical potential difference, in which there is an air-electric discharge and, associated therewith, an air plasma forming in the region of the semiconductor layer surface acted upon by the laser beam.
  • the high voltage leading electrode is preferably formed like a blade, that is, it has a tapered electrode edge, which is designed in the manner of a sharp blade and has a blade radius of down to a few micrometers.
  • At least two electrodes as close as possible to the surface of the semiconductor layer, between which an electrical voltage selected to initiate an air-electric discharge is to be applied. In all cases, it is advantageous for avoiding a highly inhomogeneous discharge between the electrodes or between the at least one electrode and the semiconductor layer surface
  • a so-called plasma nozzle which can be taken for example from DE 195 32 412 A1, with which a kind of plasma film flow can be generated, which can be directed over the surface of the semiconductor layer illuminated by the laser beam.
  • the normal pressure plasma Regardless of the type of generation of the normal pressure plasma, it has proved to be particularly advantageous to form the normal pressure plasma as thin as possible above the surface area illuminated by the laser beam in order to minimize lossy optical interactions between the laser beam and the plasma. Since the laser beam typically surrounds the space region of the normal pressure plasma in a direction orthogonal to the
  • Semiconductor layer surface penetrates along the plasma layer thickness, this should be so dimensioned that optical energy losses of the laser beam due to interactions between the laser beam and the normal pressure plasma are less than 1%. Also, should be formed within the normal pressure plasma
  • Electron density should be chosen so that it is much smaller than the so-called cut-off density for the laser wavelength used, preferably less than half, more preferably less than at least one order of magnitude, i. Factor ten, as the cut-off density.
  • the maximum plasma layer thickness to be passed by the laser beam must be selected in accordance with a possible absorption of the laser radiation in the plasma by inverse Bremsstrahlung, so that caused by the inverse Bremsstrahlung absorption of the
  • Laser radiation within the plasma is less than 1%.
  • Fig. 2 Annealingstrom with an electrode for generating a
  • Fig. 3 Annealingstrom with a pair of electrodes for generating a
  • FIG. 1 shows the essential components of an annealing system, with which an amorphous semiconductor layer 3 applied to a substrate 4, preferably a thin amorphous silicon layer, is crystallized with a laser beam L.
  • an excimer laser is preferably provided as the laser light source 1, with the
  • Laser radiation with wavelengths preferably of 248, 308 or 351 nm can be generated.
  • the use of solid-state lasers is possible and conceivable, the
  • the preferably pulsed laser beam L is coupled for purposes of beam shaping and guidance in an optical system 2, in which the laser beam in particular undergoes beam homogenization and beam shaping for the formation of a linear beam cross-section.
  • the laser beam L is imaged on the surface of the amorphous semiconductor layer 3 to form a linear illumination field, preferably with a line length of 650 mm and a line width of about 0.4 mm.
  • the pulsed laser 1 generates laser pulses L which are laterally offset relative to the amorphous semiconductor layer 3 after each individual pulse. This can be done either by eihe deflection of the laser beam L relative to the spatially stationary substrate 4 or by a spatial deflection of the substrate 4, which is applied to an X / Y adjustment table, relative to the otherwise spatially
  • the use of a continuously operating laser is possible.
  • the speed of movement of the X / Y adjustment table must be correspondingly high in order to keep the exposure time per unit area low and thus to prevent substrate damage.
  • a plasma nozzle assembly 5 is used, which is applied longitudinally adjacent to the surface region of the semiconductor layer
  • Plasma film flow is able to generate.
  • Plasma film flow should not be greater than 5mm to lossy Avoid interactions between the laser beam L and the normal pressure plasma.
  • FIG. 2 shows an annealing system which consists of components 1 to 4 already described.
  • the plasma 6 is generated by means of a direct discharge in air against the lying at ground potential substrate 4 and the semiconductor layer 3 thereon.
  • a preferably surrounding with a dielectric D electrode 7 is arranged, which is connected to a high voltage source not shown.
  • FIG. 1 Another alternative embodiment for generating the normal pressure plasma 6 is shown in FIG.
  • two electrodes 7 are mounted close to the surface relative to the surface of the semiconductor layer 3.
  • the substrate 4 and the semiconductor layer 3 thereon must be grounded. Since the individual electrodes 7 are each surrounded by a dielectric layer D, the electrodes 7 for better handling also directly on the
  • the method according to the invention can in principle be used independently of the respective crystallization regime within the semiconductor layer 3, ie both annealing methods can be used in which the substrate is only partially melted, as is the case with the ELA method described above. Likewise, however, it is also possible to use the so-called (line-scan) SLS method (sequential lateral solidification) in which the laser beam melts the entire layer depth of the amorphous semiconductor layer able, and a solidification laterally from each side
  • the use of so-called long laser pulses ie laser pulses with pulse durations greater than 50 ns, is advantageous in order to prolong the time during which the semiconductor material is in melt, which at the same time favors the tendency to form larger crystallization grains.
  • the combinatorial application of both laser radiation and normal pressure plasma has a positive effect on a reduction of the laser pulse energy required for the crystallization process or a corresponding enlargement of the surface to be treated of the semiconductor layer surface to be exposed.

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht zumindest an dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht ein Normaldruckplasma in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl beleuchteten Halbleiterschicht und/oder mit dem Laserstrahl in Wechselwirkung tritt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum
Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen
Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird.
Durch Beleuchten einer amorphen Halbleiterschicht mit Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge und Strahlungsleistung wird zumindest ein Teil der Strahlungsenergie vom Halbleitermaterial absorbiert und in Wärme umgesetzt, durch die das
Halbleitermaterial lokal in Schmelze überführt wird. Aufgrund des typischerweise pulsartig vorgenommenen Strahlungseintrages auf einen lokal begrenzten
Flächenbereich der Halbleiterschicht stellt sich beim Wiedererkalten des
aufgeschmolzenen Halbleitermaterials ein Kristallisationsprozess ein, der zur Umwandlung der ursprünglich amorphen in eine polykristalline Halbleiterstruktur führt. Ein derartiger thermisch induzierter Kristallisationsprozess, der auch als Annealingprozess bezeichnet wird, wird bei der Herstellung von auf polykristallinem Silizium basierenden technischen Baueinheiten, wie bspw. TFT-Dünnfilm- Transistoren o.a., angewandt.
Dünnfilm-Transistoren werden bevorzugt im Bereich von Flachbildschirmen, sei es für PC, TV oder sonstigen Geräten vor allem aus der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Dünne amorphe Siliziumschichten, die in Schichtdicken typischerweise um 50 nm auf Glas- oder Kunststoffflächensubstraten aufgebracht sind, werden mit dem so genannten LTPS-Verfahren (Low Temperature Polysilicon Technology) durch Belichten mit Laserstrahlung kurzzeitig aufgeschmolzen und verfestigen sich beim Abkühlen zu polykristallinen Schichten, die vor allem für die Herstellung von Aktiv-Matrix-LCD und Aktiv-Matrix-OLED besonders geeignet sind. Insbesondere die Herstellung von hochauflösenden Displays mit einer hohen Dichte von Pixeln pro Zoll (ppi) erfordert die Verwendung von Dünnschichtttransistoren auf der Basis von polykristallinem Silizium.
Stand der Technik
Für eine möglichst effiziente und kostengünstige Herstellung von Displays im industriellen Maßstab ist es erforderlich, den Kristallisationsvorgang des amorphen Siliziums auf einer möglichst großen Fläche gleichzeitig mit möglichst geringem Energieeintrag insgesamt und minimiertem Energieeintrag in das Flächensubstrat aus Glas oder Kunststoff zu realisieren. Aus diesem Grund werden für das
Aufschmelzen der amorphen Schicht bevorzugt Excimer-Laser eingesetzt. Diese Laser stellen neben der benötigten Wellenlänge im UV-Spektralbereich und einem ausgezeichneten Wirkungsgrad eine hohe Pulsenergie zur Verfügung, die für einen effizienten Prozess notwendig ist. Neben der Verwendung von UV-Lasern werden im Entwicklungsstadium auch Laser anderer Wellenlängen, bspw. 527, 532 nm, eingesetzt.
Grundsätzlich haben sich bei der Verwendung von Excimer-Lasern einige
Bearbeitungsverfahren herauskristallisiert, mit denen das amorphe Silizium so umgewandelt werden kann, dass eine hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleistet werden kann. Neben der Feldeffektbeweglichkeit ist die Homogenität der Schichteigenschaften verteilt über das Flächensubstrat eine entscheidende Eigenschaft für qualitativ hochwertige Displays.
Bei dem so genannten ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing), das
beispielsweise in der US 2006/0035103 A1 beschrieben ist, wird ein homogenisierter und zu einer Linie geformter Laserstrahl gepulst mit bis zu 600 Hz über das mit amorphem Silizium beschichtete Substrat geführt. Der Laserstrahl wird an der Oberfläche der nur 50 bis 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne das Substrat aufzuheizen und somit zu beschädigen. Beim dem ELA-Verfahren wird das nahezu rechteckige Strahlprofil des Excimer-Lasers in eine stabile homogene Linie mit einer Länge von bis zu 465 mm und einer Breite von nur 0,4 mm
umgewandelt. Die Energiedichte für diesen Prozess liegt zwischen 350 mJ/cm2 bis 400 mJ/cm2. Bei diesem Verfahren wird die Schicht aus amorphem Silizium jedoch nicht vollständig durchgeschmolzen. Das Kristallwachstum beginnt an der
Phasengrenze der fest bleibenden unteren Siliziumschicht und setzt sich in Richtung der oberen aufgeschmolzenen Siliziumschicht fort.
Grundsätzlich hat sich dieses Verfahren für die Herstellung von polykristallinen Siliziumschichten für Bildschirme bestens bewährt. Insbesondere die industrielle Herstellung von AM-OLED Displays ist nach heutigem Stand der Technik nur auf LTPS-Flächensubstraten möglich. Die Herstellung von LTPS Bildschirmen mit einer Bildschirmdiagonalen größer 42 Zoll sowie auch die weitere Kostenoptimierung des Fertigungsprozesses verlangen jedoch nach einem vergrößerten Strahlquerschnitt auf dem Substrat. Die Herstellung von 50 Zoll TV Substraten verlangt zum Beispiel nach einer 650 mm bis 750 mm langen Linie.
Um den Annealingprozess mit einem derart aufgeweiteten rechteckigen Strahlprofil in gleicher Weise durchzuführen zu können, wie dies bei den vorstehend
beschriebenen Strahlprofilen mit einer Länge von bis zu 465mm der Fall ist, gilt es, um die Energiedichte des Laserstrahls nicht zu mindern, die Linienbreite des
Strahlprofils entsprechend zu verkleinern. Dies setzt jedoch eine weitaus aufwändigere und kostspieligere Abbildungsoptik voraus, verglichen zu den bereits im Einsatz befindlichen Optiksystemen. Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung des linienartigen Strahlquerschnittes ohne Verringerung der für einen erfolgreichen Annealingprozess erforderlichen Energiedichte, besteht in der Verwendung einer leistungsstärkeren Laserlichtquelle, eine Maßnahme, die gleichsam der Verwendung eines aufwändigeren Optiksystems zu einer deutlichen Erhöhung der Anschaffungs- sowie auch Betriebskosten entsprechender Annealinganlagen beiträgt.
In Verbindung mit der Durchführung von laserunterstützten Kristallisationsprozessen ist der US 2006/0024442 A1 , siehe insbesondere die Absätze [0039 bis 0045], zu entnehmen, dass die Größe der sich während der Kristallisation ausbildenden
Kristallkörner durch kontrollierten Eintrag von Strahlungsenergie sowie einer damit verbundenen kontrollierbaren Temperaturverteilung innerhalb der vom Laserstrahl beaufschlagten Halbleiterschicht beeinflusst werden kann. Um eine möglichst hohe Feldeffektbeweglichkeit freier Ladungsträger innerhalb der sich ausbildenden polykristallinen Halbeiterschichtbereichen zu begünstigen, gilt es, die
Prozessparameter beim Annealingprozeß gerade so zu wählen, dass sich im Wege der Kristallisation möglichst große Korngrößen, die homogen über das
Flächensubstrat verteilt sind, herausbilden. Allerdings bilden sich auch Fehlstellen innerhalb der Kristallstruktur aus, beispielsweise in Form von Kristalllücken oder nicht abgesättigten Kristallbindungen, so genannten„dangling bonds", durch die die
Feldeffektbeweglichkeit freier Ladungsträger herabgesetzt wird. Zur Beseitigung bzw. Minimierung derartiger Fehlstellen innerhalb der sich ausbildenden Kristallstruktur bedient man sich eines Wasserstoffplasmas, das während des Annealingprozesses oder im Anschluss daran mit der belichteten Halbleiterschichtoberfläche in
Wechselwirkung gebracht wird und das eine auf die sich ausbildenden Fehlstellen passivierende Wirkung entfaltet. Ein aus Wasserstoffgas erzeugtes
Wasserstoffplasma enthält freie Radikale und somit ungebundene Elektronen, die sich mit den nicht abgesättigten Kristallbindungen an den Fehlstellen innerhalb der Kristallstruktur verbinden. Aus der DE 693 27 559 T2 ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung eines aus Polysilizium bestehenden Films zu entnehmen. In einem ersten Schritt wird durch Aufpolieren von Siliziumpulver oder mittels PVD- oder CVD-Abscheidung ein amorpher Siliziumfilm auf eine Substratoberfläche aufgebracht. Zu Zwecken der Kristallisation wird der amorphe Siliziumfilm mittels Laserstrahlung getempert, wobei sich Siliziumkristallkeime mit Korndurchmessern herausbilden, die in etwa der Siliziumfilmdicke entsprechen. Zur kontrollierten Beeinflussung der Dichte- und Größenverteilung der sich ausbildenden Siliziumkristallkörner werden diese einem Ätzprozess in Gegenwart von Wasserstoffradikalen ausgesetzt, die mittels eines ECR (Electron Cyclotron Resonance)-Plasmagerätes erzeugt und in Form eines aus Wasserstoffradikalen bestehenden Stromes auf die zu behandelnde
Siliziumschichtoberfläche gerichtet werden.
Die JP2004-031511 A beschreibt eine Normaldruckkammer, in der eine
Plasmabearbeitungsvorrichtung und eine Laserbestrahlungsvorrichtung angeordnet sind. Ein zu bearbeitendes Substrat wird mittels eines Transportsystems zunächst an der Plasmabearbeitungsvorrichtung und anschließend an der
Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung vorbeigeführt. Mit einer derartigen sequentiellen Bearbeitung kann auf weitere Reinigungsschritte verzichtet werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht mit einem Laserstrahl, der mit einem homogen
ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht abgebildet wird, derart weiterzubilden, dass die Effizienz, mit der die Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial zu dessen lokaler Erwärmung und
Aufschmelzung wechselwirkt, verbessert werden soll. Insbesondere gilt es nach Möglichkeiten zu suchen, die Strahlungsenergie des Laserstrahls effizienter innerhalb der zu bearbeitenden Halbleiterschicht in thermische Energie
umzuwandeln, so dass eine Prozessierung von großflächigen amorphen
Halbleiterschichten auch ohne die Notwendigkeit kostenintensiver und aufwendiger Optiksystemen und Hochleistungs-Lasersystemen möglich wird. Auch soll es möglich sein, bereits in Betrieb befindliche Annealinganlagen durch kostengünstige und verfahrenstechnisch einfach zu handhabende Maßnahmen nachzurüsten.
Die Lösung der der Aufgabe zugrunde liegenden Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die
Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist erkannt worden, dass eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Umwandlung der Strahlungsenergie des Laserstrahls in Wärmeenergie innerhalb der belichteten Halbleiterschicht dadurch realisiert werden kann, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht zumindest an dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht ein
Normaldruckplasma in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl beleuchteten Halbleiterschicht und/oder mit dem Laserstrahl in Wechselwirkung tritt.
Im Rahmen umfangreicher Versuche konnte gezeigt werden, dass bei einem
Annealingprozess, bei dem zusätzlich zur Laserstrahleinwirkung auf die zu
behandelnde Halbleitschichtoberfläche ein mit der Halbleiteroberfläche
wechselwirkendes Normaldruckplasma bzw. ein Luftplasma unter
Atmosphärendruckbedingungen erzeugt wird, die Effizienz der
Strahlungsenergieeinkopplung und Strahlungsenergieumwandlung in Wärmeenergie in die zu kristallisierende amorphe Halbleiterschicht deutlich erhöht werden kann. Das sowohl mit der Laserstrahlung als auch mit der Halbleiterschicht
wechselwirkende Normaldruckplasma vermag keine oder zumindest nur
vernachlässigbar geringe Degradationserscheinungen an der Halbleiterschicht, beispielsweise in Form von Ätzprozessen, hervorzurufen, da das
Normaldruckplasma überwiegend aus ionisierten Gasbestandteilen der Luft besteht. Somit dient das Normaldruckplasma als bloßes Mittel zur Verstärkung der Lichteinkopplung in die amorphe Halbleiterschicht ohne diese in ihrer
makroskopischen Beschaffenheit in Bezug auf Schichtdicke und
Oberflächenmorphologie zu beeinträchtigen.
In Folge der lösungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich die pro Flächeneinheit einzutragende Laserleistung zu verringern ohne dabei den Kristallisationsprozess nachhaltig zu beeinträchtigen. Mit der lösungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, ohne weitere Modifikationen an bisher im Einsatz befindlichen Annealinganlagen den auf die amorphe Halbleiterschicht gerichteten Strahlquerschnitt in der gewünschten Weise zu vergrößern oder die zur Kristallisation notwendige Energiedichte zu verringern. So ermöglicht der lösungsgemäße Einsatz eines Normaldruckplasmas im Rahmen eines Annealingprozesses eine Verlängerung des linienhaften
Strahlquerschnittes des die amorphe Halbleiterschicht belichtenden Laserstrahls ohne die Notwendigkeit der Verwendung einer leistungsstärkeren Laserlichtquelle sowie ohne den Einsatz aufwendigerer Optiksysteme. Die Effizienz sowie auch der Durchsatz bei Annealinganlagen kann somit in kostengünstiger Weise gesteigert werden.
Die lösungsgemäße Maßnahme ermöglicht auch weiterhin den Betrieb an sich bekannter Annealingprozesse unter Atmosphärendruckbedingungen, so dass auf komplizierte verfahrenstechnische und kostenintensive Evakuierungsmaßnahmen verzichtet werden kann.
Als Plasmaquellen dienen an sich bekannte Plasmageneratoren, mit denen unter Atmosphärendruckbedingungen ein Normaldruck- bzw. Luftplasma jeweils am Ort der mit dem Laserstrahl belichteten Halbleiterschichtoberfläche erzeugbar ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Normaldruckplasmas sieht die Anordnung wenigstens einer Hochspannung führenden Elektrode vor, die gegenüber der vorzugsweise auf Massepotential befindlichen Halbleiterschicht angeordnet ist. Zwischen Elektrode und Halbleiterschicht bildet sich aufgrund eines vorgebbaren elektrischen Potentialunterschiedes ein elektrisches Feld aus, bei dem es zu einer luftelektrischen Entladung und damit verbunden zu einem im Bereich der vom Laserstrahl beaufschlagten Halbleiterschichtoberfläche sich ausbildenden Luftplasmas kommt. Die Hochspannung führende Elektrode ist vorzugsweise klingenartig ausgebildet, d.h. sie weist eine spitz zulaufende Elektrodenkante auf, die in Art einer scharfen Klinge ausgebildet ist und einen Klingenradius von bis hinab zu einigen Mikrometern aufweist.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von wenigstens zwei möglichst oberflächennah zur Halbleiterschichtoberfläche angeordneten Elektroden, zwischen denen ein zur Initiierung einer luftelektrischen Entladung eine entsprechend groß gewählte elektrische Spannung anzulegen ist. In allen Fällen ist es zur Vermeidung einer stark inhomogenen Entladung zwischen den Elektroden bzw. zwischen der wenigstens einen Elektrode und der Halbleiterschichtoberfläche vorteilhaft, die
Elektrodenoberflächen mit einer Dielektrikumschicht zu ummanteln.
Auch eignet sich der Einsatz einer sogenannten Plasmadüse, die beispielsweise aus der DE 195 32 412 A1 zu entnehmen ist, mit der eine Art Plasmafilmströmung erzeugbar ist, die über den vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht gelenkt werden kann.
Unabhängig von der Art der Erzeugung des Normaldruckplasmas hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Normaldruckplasma möglichst dünnschichtig über dem vom Laserstrahl beleuchteten Oberflächenbereich auszubilden, um auf diese Weise verlustbehaftete optische Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem Plasma möglichst gering zu halten. Da der Laserstrahl den Raumbereich des Normaldruckplasmas typischerweise in einer Richtung orthogonal zur
Halbleiterschichtoberfläche längs der Plasmaschichtdicke durchdringt, sollte diese so bemessen sein, dass optische Energieverluste des Laserstrahls bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem Normaldruckplasma kleiner als 1 % sind. Auch sollte die sich innerhalb des Normaldruckplasmas ausbildende
Elektronendichte so gewählt sein, dass sie viel kleiner ist als die sogenannte Cut-off- Dichte für die eingesetzte Laserwellenlänge, vorzugsweise kleiner als die Hälfte, besonders vorzugsweise kleiner als wenigstens eine Größenordnung, d.h. Faktor Zehn, als die Cut-off-Dichte. Zudem gilt es die vom Laserstrahl zu passierende maximale Plasmaschichtdicke unter Beachtung einer möglichen Absorption der Laserstrahlung im Plasma durch inverse Bremsstrahlung entsprechend zu wählen, so dass eine durch die inverse Bremsstrahlung verursachte Absorption der
Laserstrahlung innerhalb des Plasmas kleiner als 1 % ist. Wie die weitere
Beschreibung unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele zeigen wird, eignen sich Normaldruckplasmen mit maximalen Plasmaschichtdicken von
5 mm.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Annealingganlage mit Plasmagenerator in Form einer Plasmadüse,
Fig. 2 Annealinganlage mit einer Elektrode zur Erzeugung eines
Normaldruckplasmas, sowie
Fig. 3 Annealinganlage mit einem Elektrodenpaar zur Erzeugung eines
Normaldruckplasmas
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Annealinganlage, mit der eine auf einem Substrat 4 aufgebrachte amorphe Halbleiterschicht 3, vorzugsweise eine dünne amorphe Siliziumschicht, mit einem Laserstrahl L kristallisiert wird. Hierzu ist als Laserlichtquelle 1 vorzugsweise ein Excimerlaser vorgesehen, mit dem
Laserstrahlung mit Wellenlängen vorzugsweise von 248, 308 oder 351 nm erzeugbar ist. Auch ist der Einsatz von Festkörperlasern möglich und denkbar, die
Wellenlängen vorzugsweise zwischen 527 und 532nm emittieren. Auch ist der direkte Einsatz von Hochleistungslaserdioden mit Emissionswellenlängen größer 800nm vorstellbar.
Der vorzugsweise gepulste Laserstrahl L wird zu Zwecken der Strahlformung und -führung in ein Optiksystem 2 eingekoppelt, in dem der Laserstrahl insbesondere eine Strahlhomogenisierung sowie auch Strahlformung für die Ausbildung eines linienhaften Strahlquerschnittes erfährt. Nach Austritt des Optikmoduls 2 wird der Laserstrahl L auf die Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht 3 unter Ausbildung eines linienhaften Beleuchtungsfeldes, vorzugsweise mit einer Linienlänge von 650mm und einer Linienbreite von etwa 0,4 mm abgebildet.
Der gepulst betriebene Laser 1 erzeugt Laserpulse L, die relativ zur amorphen Halbleiterschicht 3 nach jedem einzelnen Puls lateral versetzt abgebildet werden. Dies kann entweder durch eihe Ablenkung des Laserstrahls L relativ zum räumlich ruhenden Substrat 4 oder durch eine räumliche Auslenkung des Substrats 4, das auf einem X/Y-Verstelltisch aufgebracht ist, relativ zu dem ansonsten räumlich
feststehenden Laserstrahl L erfolgen. Auch ist es denkbar, beide vorstehend beschriebenen Freiheitsgrade miteinander zu kombinieren, so dass gewährleistet ist, dass möglichst die gesamte Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 3 in
Rastertechnik von dem Laserstrahl L belichtet wird.
Alternativ ist auch die Verwendung eines kontinuierlich arbeitenden Lasers möglich. In diesem Fall muss die Geschwindigkeit der Bewegung des X/Y-Verstelltisches entsprechend hoch sein, um die Einwirkzeit pro Flächeneinheit gering zu halten und damit Substratschäden vorzubeugen.
Am Ort des jeweils auf die amorphe Halbleiterschicht 3 abgebildeten Laserstrahls L wird lösungsgemäß ein Normaldruckplasma 6 erzeugt, in dem ionisierte Gasanteile der Luft enthalten sind. In Figur 1 sei angenommen, dass zur Herstellung des
Normaldruckplasmas 6 eine Plasmadüsenanordnung 5 eingesetzt wird, die eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht anliegende
Plasmafilmströmung zu erzeugen vermag. Die Schichtdicke d der
Plasmafilmströmung sollte nicht größer als 5 mm sein, um verlustbehaftete Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl L und dem Normaldruckplasma zu vermeiden.
In Figur 2 ist eine Annealinganlage dargestellt, die aus den bereits beschriebenen Komponenten 1 bis 4 besteht. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Plasma 6 im Wege einer direkten Entladung in Luft gegen das auf Massepotential liegende Substrat 4 und der darauf befindlichen Halbleiterschicht 3 erzeugt. Hierbei ist in einem geringen Abstand, vorzugsweise maximal 7mm von der Oberfläche der Halbleiterschicht 3, eine vorzugsweise mit einem Dielektrikum D umgebende Elektrode 7 angeordnet, die mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden ist.
Eine weitere alternative Ausführungsform zur Erzeugung des Normaldruckplasmas 6 ist in Figur 3 dargestellt. Hier sind zwei Elektroden 7 oberflächennah relativ zur Oberfläche der Halbleiterschicht 3 angebracht. Nicht notwendigerweise müssen in diesem Fall das Substrat 4 und die darauf befindliche Halbleiterschicht 3 geerdet sein. Da die einzelnen Elektroden 7 jeweils von einer Dielektrikumschicht D umgeben sind, können die Elektroden 7 zur besseren Handhabung auch direkt auf der
Oberfläche der Halbleiterschicht 3 aufliegen, um auf diese Weise eine möglichst oberflächennahe und dünnschichtige Ausbildung eines Normaldruckplasmas 6 zu ermöglichen. Im Falle der Figur 3 passiert der Laserstrahl L das Normaldruckplasma 6 zwischen den beiden Elektroden 7.
Das lösungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich unabhängig von dem jeweiligen Kristallisationsregime innerhalb der Halbleiterschicht 3 eingesetzt werden, d.h. es können sowohl Annealingverfahren eingesetzt werden, bei denen das Substrat nur teilweise aufgeschmolzen wird, wie dies bei dem eingangs beschriebenen ELA- Verfahren der Fall ist. Gleichfalls ist jedoch auch die Anwendung des sogenannten (Line-Scan-) SLS-Verfahrens (Sequential Lateral Solidification) möglich, bei dem der Laserstrahl die gesamte Schichttiefe der amorphen Halbleiterschicht aufzuschmelzen vermag, und eine Verfestigung jeweils von Seiten seitlicher
Begrenzungswandabschnitte erfolgt.
In vielen Kristallisationsregimen ist darüber hinaus die Verwendung von sogenannten langen Laserpulsen, d.h. Laserpulse mit Pulsdauern größer 50ns vorteilhaft, um die Zeitdauer, während der das Halbleitermaterial in Schmelze vorliegt, zu verlängern, wodurch gleichzeitig die Tendenz zur Ausbildung größerer Kristallisationskörner begünstigt wird. Auch in diesem Fall wirkt sich die kombinatorische Anwendung sowohl von Laserstrahlung als auch von Normaldruckplasma auf eine Reduzierung der für den Kristallisationsprozess erforderlichen Laserpulsenergie bzw. eine entsprechende Vergrößerung der zu bearbeitenden Fläche der zu belichtenden Halbleiterschichtoberfläche positiv aus.
Bezugszeichenliste
1 Laser
2 Optiksystem zur Strahlformung und -führung
3 Halbleiterschicht
4 Substrat
5 Plasmadüsenanordnung
6 Normaldruckplasma
7 Elektrode
d Plasmaschichtdicke
D Dielektrikum

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht (3) mit einem Laserstrahl (L), der mit einem homogen ausgeleuchteten Strahlquerschnitt zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) abgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Laserstrahlabbildung auf die Halbleiterschicht (3) zumindest an dem vom Laserstrahl (L) beleuchteten
Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) ein Normaldruckplasma (6) in Form eines ionisierten Gases bereitgestellt wird, das mit der vom Laserstrahl (L)
beleuchteten Halbleiterschicht (3) und/oder mit dem Laserstrahl (L) in
Wechselwirkung tritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass als Normaldruckplasma ein Luftplasma unter atmosphärischen Umgebungsdruckbedingungen mittels eines Plasmagenerators erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer maximalen Plasmaschichtdicke (d), bei der optische Energieverluste des Laserstrahls (L) bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl (L) und dem Normaldruckplasma (6) von kleiner 1 % auftreten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer Elektronendichte, die kleiner ist als die cut-off-Dichte für die entsprechende Laserwellenlänge.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) in Form einer sich orthogonal zum Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) erstreckenden und zumindest den Oberflächenbereich vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitgestellt wird, mit einer maximalen Plasmaschichtdicke, bei der die Absorption der Laserstrahlung im Plasma durch inverse Bremsstrahlung kleiner als 1 % ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als maximale Plasmaschichtdicke 5 mm gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) gepulst betrieben wird und nach wenigstens einem Laserpuls relativ zur Halbleiterschicht (3) lateral zur
Halbleiterschichtoberfläche versetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschicht (3) amorphes Silizium
verwendet wird, das mit einem im Strahlquerschnitt homogenisierten Laserstrahl (L) beleuchtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der im Strahlquerschnitt homogenisierte Laserstrahl (L) eine Wellenlänge im UV-Spektralbereich, vorzugsweise 248 nm, 308 nm, 351 nm, im sichtbaren Spektralbereich, vorzugsweise 527 bis 532nm, oder im IR- Spektralbereich aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) mittels einer relativ zur Halbleiterschicht (3) oberflächennah angebrachten Elektrodenanordnung erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Normaldruckplasma (6) mittels einer
Plasmadüsenanordnung (5) erzeugt wird, die eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) anliegende Plasmafilmströmung generiert.
12. Vorrichtung zum Kristallisieren einer amorphen Halbleiterschicht (3) mit einem Laser (1 ) zur Erzeugung eines Laserstrahls (L), der zumindest über eine den Laserstrahl (L) homogenisierende Einheit verfügende Strahlablenkungseinheit (2) zumindest auf einen Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einheit zur oberflächennahen Bereitstellung eines Normaldruckplasmas (6) umfasst die das Normaldruckplasma (6) in Art einer zumindest den laserbestrahlten Oberflächenbereich der
Halbleiterschicht (3) während der Laserbestrahlung vollumfänglich überdeckenden Plasmaschicht bereitstellt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bereitstellung des
Normaldruckplasmas (6) wenigstens eine Elektrode (7) aufweist, die in einem Abstand von maximal 7 mm gegenüber dem Oberflächenbereich der
Halbleiterschicht (3) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (7) mit einem gegenseitigen Elektrodenabstand von maximal 7 mm gegenüber dem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht (3) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7) klingenartig ausgebildet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (7) dielektrisch isoliert ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) zwischen den Elektroden (7) eingekoppelt wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bereitstellung des
Normaldruckplasmas eine Plasmadüsenanordnung (5) ist, die derart gegenüber der Halbleiterschicht (3) angeordnet ist, dass eine längs an den Oberflächenbereich der Halbleiterschicht anliegende Plasmafilmströmung generierbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (3) auf einem Substrat (4) aufgebracht ist, das auf einem x-y-Verstelltisch aufliegt, so dass die Halbleiterschicht (3) relativ zum ortsfesten Laserstrahl (L) sowie der ortsfesten Einheit zur
Bereitstellung des Normaldruckplasmas (6) bewegbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl und/oder das Plasma linienförmig ausgebildet sind.
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