DE102007025943B4 - Verfahren zur thermischen Behandlung einer Substratoberfläche mittels Laserlicht - Google Patents

Abstract

Verfahren zur thermischen Behandlung einer Oberfläche eines Flächensubstrates, mittels eines Lasers (1) zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche (7) gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnittes eine, einer Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit (3) im Strahlengang nachfolgende Maske (4) gleichmäßig ausleuchtet, wobei der Laserstrahlquerschnitt einen durch k > 3 geradlinige Begrenzungslinien einbeschriebenen Umfangsrand aufweist und mittels einer wenigstens um zwei Raumachsen (x-y) schwenkbaren Ablenkeinheit (5) und einer im Strahlengang der Ablenkeinheit (5) nachfolgenden Optikeinheit (6) auf die Substratoberfläche (7) abgebildet wird, wobei der Optikeinheit (6) ein auf der Substratoberfläche (7) begrenzter Aperturbereich (FOV) (10) zugeordnet wird und das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse relativ zum ruhenden Aperturbereich (10) bewegt wird und der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche (7) ausgerichtet ist, innerhalb des Aperturbereiches (10) räumlich verteilt ausgelenkt und positioniert wird, wobei der Laserstrahl wenigstens unter Maßgabe der zwei nachfolgenden räumlichen Auslenkkriterien für jeden Laserpuls relativ zur Substratoberfläche (7) derart räumlich positioniert wird, dass die Bestrahlung der Substratoberfläche (7) derart erfolgt, dass benachbart auf der Substratoberfläche (7) abgebildete, einer Vielzahl m einzelner Laserpulse zugeordneter Laserstrahlquerschnitte nahtlos jeweils mit Abschnitten ihrer Umfangsränder aneinandergrenzen und einen Bestrahlungslayer ausbilden und dass die Substratoberfläche zumindest in einem Teilbereich wiederholt unter Ausbildung jeweils n Bestrahlungslayern n-mal, mit n ≥ 2 bestrahlt wird, wobei die Umfangsränder von auf der Substratoberfläche (7) abgebildeten Laserstrahlquerschnitten, die zu unterschiedlichen Bestrahlungslayern gehören, jeweils einen konstant vorgegebenen räumlichen Versatz aufweisen und wobei die räumliche Positionierung zweier jeweils zeitlich aufeinander folgender Laserpulse in Bezug auf die Ortsposition innerhalb eines Bestrahlungslayers und/oder in Bezug auf die Zugehörigkeit zu jeweils einem Bestrahlungslayer stochastisch vorgenommen wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur thermischen Behandlung einer Oberfläche eines Flächensubstrates, im Weiteren kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der am Ort der Substratoberfläche jeweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstahlquerschnitt aufweist, bei dem das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt wird und bei dem der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird. In der vorstehenden Weise thermisch behandelte Flächensubstrate eignen sich z. B. für die Herstellung von Dünnfilm-Transistoren auf der Basis von polykristallinem Silizium. 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 bei diesen so genannten LTPS-Verfahren (Low Temperature Polysilicon Technology) durch das 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.
• Das vorstehende Verfahren lässt sich im erweiterten Sinne grundsätzlich auf sämtliche technischen Fälle anwenden, bei denen es gilt Flächensubstrate zum Zwecke lokaler Erhitzung, bspw. zur Durchführung lokaler Sinterprozesse, mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen und dies in zeitlicher Abfolge an jeweils unterschiedlichen Stellen des Flächensubstrates. Durch die Relativbeweglichkeit des zumeist auf einem x-y-Stelltisch gelagerten Flächensubstrats zum Laserstrahl lassen sich somit bedarfsweise auch großflächig zusammenhängende Bereiche der Substratoberfläche mit dem Strahlfleck des Laserstrahls beleuchten.
• Stand der Technik
• Für die Herstellung von Flachbildschirmen im industriellen Maßstab unter Einsatz des vorstehend genannten LTPS-Verfahren ist es unumgänglich den Kristallisationsvorgang des amorphen Siliziums so schnell wie möglich durchzuführen. Aus diesem Grund werden für das Aufschmelzen der amorphen Schicht bevorzugt Excimer-Laser eingesetzt, die neben der benötigten Wellenlänge im UV-Spektralbereich, einen ausgezeichneten Wirkungsgrad, zudem auch große Lichtleistungen zur Verfügung stellen. Grundsätzlich haben sich bei der Verwendung von Excimer-Lasern einige Bearbeitungsverfahren herauskristallisiert, mit denen das amorphe Silizium derart umgewandelt werden kann, dass eine für hocheffiziente Dünnfilm-Transistoren erforderliche hohe Feldeffektbeweglichkeit von freien Ladungsträgern gewährleistet werden kann.
• Bei dem so genannten ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing) wird ein homogenisierter und zu einer Linie geformter Laserstrahl gepulst über das mit amorphem Silizium beschichtete Substrat geführt. Der Laserstrahl wird in der typischerweise nur 50 bis 100 nm dünnen amorphen Siliziumschicht absorbiert, ohne dabei das Substrat aufzuheizen. Beim ELA-Verfahren wird das Strahlprofil des Excimer-Lasers in eine stabile homogene Linie, bspw. mit einer Länge von bis zu 465 mm und einer Breite von nur 0,4 mm umgewandelt, die zumeist Energiedichten zwischen 350 bis 400 mJ/cm² aufweist. Bei diesem Verfahren wird die Schicht aus amorphem Silizium jedoch nicht vollständig durchschmolzen. Beim Abkühlen setzt ein Kristallwachstum ein, das an der Phasengrenze der fest bleibenden unteren Siliziumschicht beginnt und sich in Richtung der oberen aufgeschmolzenen Siliziumschicht fortsetzt. Zum Stand der Technik bei den ELA-Verfahren sei auf die US 2005/0035103 A1 verwiesen.
• Grundsätzlich hat sich dieses Verfahren für die Herstellung von polykristallinen Siliziumschichten für den Einsatz in Bildschirmen bestens bewährt. Werden jedoch für die Flachbildschirme Schaltkreise höherer Performance benötigt, so reicht die durch dieses Verfahren erreichte Korngröße des sich ausbildenden polykristallinen Siliziums nicht aus. So führen Korngrenzen im Halbleitermaterial zu einer Verminderung der effektiven Elektronenbeweglichkeit. Werden extrem schnelle Schaltungen benötigt, so setzt dies Elektronenbeweglichkeiten ähnlich der im einkristallinen Si voraus. Aus diesem Grund werden insbesondere zur Realisierung sehr schneller Schaltungen größere Korngrößen angestrebt als sie mit dem herkömmlichen ELA-Verfahren erreichbar sind.
• Um größere Körner und damit verbunden auch komplexre Schaltkreise in die Displays zu integrieren, ist das so genannte SLS-Verfahren (Sequential Lateral Solidification) entwickelt worden. Bei diesem Verfahren wird im Gegensatz zum vorher beschriebenen ELA-Verfahren ein Maskenabbildungsverfahren angewandt, bei dem ein durch eine Maskenstruktur vorgegebenes Belichtungsfeld schrittweise über die Substratoberfläche geführt wird, um Mikrostrukturen ausgerichteter Kristallite in Siliziumschichten zu erzeugen. Im Gegensatz zum ELA-Verfahren wird die amorphe Siliziumschicht beim SLS-Verfahren vollständig durchschmolzen, so dass die Kristallisierung nicht an der Phasengrenze der unteren Siliziumschicht, sondern an seitlichen Phasengrenzen zwischen Bereichen von festen und geschmolzenen Silizium beginnt. Beim Abkühlen findet ein kontrolliertes Kristallwachstum statt, das von den nicht aufgeschmolzenen Rändern des Belichtungsfeldes ausgeht. Dies führt zu den gewünschten Mikrostrukturen. Im Gegensatz zum ELA Verfahren findet somit das Kristallwachstum beim SLS-Verfahren nicht vertikal sondern horizontal, d. h. lateral, statt.
• Gilt es möglichst großflächig zusammenhängende Bereiche einer amorphen Siliziumoberfläche im Wege des ELA Verfahrens thermisch zu behandeln, so bedient man sich üblicherweise einer Vorrichtung, bestehend aus einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser, einer gerätespezifisch vorgegebenen optischen Strahlumlenkungseinheit, einer optischen Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit, die den Laserstrahl derart zu beeinflussen vermag, dass der Laserstrahl über die gesamte Laserstrahlquerschnittsfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist, zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten rechteckförmigen Laserstrahlquerschnittes, typischerweise mit einer Dimension von 465 mm × 0,4 mm, der auf die Substratoberfläche eines auf einem x-y-Stelltisch aufliegenden Substrates abgebildet wird.
• Zur vollständigen Belichtung bzw. Bestrahlung der aus amorphem Silizium bestehenden Substratoberfläche verfährt der x-y-Stelltisch die Substratoberfläche linear längs der kurzen Achse des Strahlquerschnittes. Um ein möglichst gleichmäßiges Kristallwachstum durch Umwandlung des amorphen Siliziums in polykristallines Silizium zu erhalten, gilt es die auf die Substratoberfläche abgebildeten Laserstrahlquerschnitte derart zu platzieren, so dass sich jeweils zwei in zeitlich unmittelbarer Abfolge auf die Substratoberfläche projizierten Laserstrahlquerschnitte bis zu 95% ihrer Querschnittsfläche gegenseitig überlappen.
• Flachbildschirme, insbesondere großflächige Flachbildschirme, die im Wege der vorstehend beschriebenen ELA-Verfahrenstechnik hergestellt werden, weisen fallweise bei Betrachtung der Bildschirmoberfläche in Bezug auf den Helligkeitseindruck optisch wahrnehmbare Inhomogenitäten auf, eine optische Erscheinung die als Mura-Effekt bezeichnet wird, und darüber hinaus auch die Farbbilddarstellung zu beeinträchtigen vermag. Zur Begegnung derartiger Bildschirmdefekte sind nur bedingt technische Maßnahmen verfügbar, die durch individuelle Ansteuerung einzelner Bildschirmpixel einen künstlich generierten Kontrastausgleich herzustellen versuchen. Diese Maßnahmen stoßen jedoch bei besonders ausgeprägt auftretenden Mura-Effekten schnell an Grenzen.
• Die US 2006/0292761 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kristallisierung von amorphen Halbleiterschichten, bei dem ein kontinuierlich betriebener Laserstrahl mit einem linienförmigen Strahlquerschnitt in Richtung der kurzen Strahlachse über die amorphe Halbleiterschicht geführt wird.
• Aus einem Artikel von Mariucci, L. et al.: „Advanced excimer laser crystallization techniques”, Thin Solid Films, ISSN 0040-6090.2001, Vol. 383, S. 39–44 geht eine Kristallisationstechnik mittels Excimerlaserbestrahlung hervor, bei der die zu kristallisierende Substratoberfläche einer zweimaligen Bestrahlung unterzogen wird, die einen ersten Bestrahlungsschritt mit einer auf der Substratoberfläche aufliegenden Maske sowie einen zweiten Bestrahlungsschritt mit homogener ganzflächiger Bestrahlung der Substratoberfläche vorsieht.
• Aus der DE 10 2004 061 596 A1 ist ein Kristallisationsverfahren unter Verwendung einer unmittelbar auf der Substratoberfläche aufliegenden Lasermaske zu entnehmen. Die Maske wird im Rahmen einer Mehrfachbelichtung lateral zur Substratoberfläche verschoben, um eine örtlich heterogene Bestrahlung der Substratoberfläche zu erzielen.
• Ein ähnliches Verfahren zum Kristallisieren von Silizium ist der DE 10 2004 028 331 A1 zu entnehmen, bei dem ebenfalls eine Maske mit einem fest vorgegebenen Maskenmuster lateral zu einer Substratoberfläche verschoben wird, während die Substratoberfläche eine Mehrfachbestrahlung erfährt.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur thermischen Behandlung einer Substratoberfläche mittels Laser, vorzugsweise zur Herstellung von Dünnfilm-Transistoren zum weiteren Einsatz in Flachbildschirmen derart anzugeben, dass die vorstehend erwähnten, auf Mura-Effekte zurückzuführenden, optisch wahrnehmbaren Defekte vollständig ausgeschlossen werden sollen. Hierbei gilt es vor allem im wirtschaftlich vertretbaren Kostenrahmen zielführende verfahrenstechnische Modifikationen an bisher üblichen Herstellungsverfahren vorzusehen, um den Produktionsausschuß bzw. die Qualitätseinbuße bei Flachbildschirmen, der bzw. die durch den Mura-Effekt bedingt ist, zu reduzieren.
• Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf dem Aufbrechen jeglicher verfahrenstechnisch bedingter Regelmäßigkeit bei der Herstellung von Bildpixel, die eine für das Auge optische wahrnehmbare, störende, durch Inhomogenitäten bedingte Musterbildung hervorzurufen vermag. So registriert das menschliche Auge unbewusst flächig verteilte, regelmäßige Anordnungen von Inhomogenitäten auf einer ansonsten homogen in Erscheinung tretenden Oberfläche, gleichgültig ob es sich hierbei um Farb-, Kontrast- und/oder um Helligkeitsunterschiede handelt, wodurch zumeist ein störender Eindruck gleichsam einer optischen Schwebung auf einer ansonsten homogenen Oberfläche entsteht.
• Das zur Herstellung derartiger verbesserter Flachbildschirme zugrundeliegende lösungsgemäße Verfahrensprinzip zur thermischen Behandlung der Oberfläche eines Flächensubstrates, oder kurz Substratoberfläche genannt, mittels eines Lasers vorzugsweise eines Excimer-Lasers zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, vorzugsweise mit Wellen im ultravioletten Spektralbereich, der am Ort der Substratoberfläche jeweils einen homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnitt aufweist, bei dem das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse bewegt wird und bei dem der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrates längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, ausgelenkt wird, zeichnet sich derart aus, dass der Laserstrahl wenigstens unter Maßgabe zweier Auslenkkritierien für jeden Laserpuls relativ zur Substratoberfläche derart räumlich positioniert wird, dass zum einen wenigstens ein zusammenhängender Bereich der Substratoberfläche von einer Vielzahl m, mit m > 1, einzelner Laserpulse flächendeckend und ohne gegenseitige Überlappung der den m-Laserpulsen zugeordneten Laserstrahlquerschnitten bestrahlt wird. Zum anderen wird der zusammenhängende Substratoberflächenbereich zumindest in einem Teilbereich n-mal, mit n ≥ 2, wiederholt unter Anwendung des vorstehenden Auslenkkriteriums unter Ausbildung jeweils übereinander liegender, sogenannter n-Bestrahlungslayer, bestrahlt, wobei auf die Substratoberfläche auftreffende Laserstrahlquerschnitte, die jeweils unterschiedlichen Bestrahlungslayern zugeordnet sind, sich nicht vollständig überlappen. Wesentlich hierbei ist, dass eine räumliche Positionierung jeweils zweier zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse in bezug auf ihre Ortsposition innerhalb eines Bestrahlungslayers und/oder in Bezug auf ihre Zugehörigkeit zu jeweils einem Bestrahlungslayer stochastisch, d. h. unregelmäßig vorgenommen wird.
• In Abkehr von der bisherigen Praxis, bei der die zu bestrahlende Substratoberfläche mit einer Vielzahl einzelner Laserpulse, die in einer regelmäßig geometrischen Abfolge letztlich zur ganzflächigen einmaligen Bestrahlung jeweils taktweise positioniert werden, wird das lösungsgemäße Verfahren unter der Maxime durchgeführt, die Kristallisation der gesamten Substratoberfläche unter Zugrundelegung eines stochastischen bzw. unregelmäßigen geometrischen und zeitlichen Bestrahlungsmusters vorzunehmen, um jegliche sich möglicherweise geometrisch ausbildenden und optisch in Erscheinung tretenden Ordnungsmuster innerhalb der sich auskristallisierenden Substratoberfläche zu vermeiden.
• Bereits durch eine stochastisch räumlich verteilte Belichtung der Substratoberfläche im Rahmen nur eines einzigen Bestrahlungslayers können lasersystembedingte Schwankungen in der Lichtleistung, die zwar minimal bis weitgehend vernachlässigbar sind, aber dennoch unter Umständen zu einem sichtbaren Mura-Effekt führen, sofern die Substratoberfläche in der bisher üblichen ELA-Verfahrenstechnik mit geometrisch regelmäßiger Strahlführung belichtet würde, ausgeglichen werden. Durch eine unregelmäßige geometrische Belichtungsabfolge, mit der die Maskenbilder auf die Substratoberfläche projiziert werden, werden zusammenhängende, belichtete Substratoberflächenbereiche beispielsweise mit geringerer Belichtungsintensität und einem damit verbundenen geringeren Durchschmelzungsgrad des amorphen Siliziums, ausgeschlossen. Die lösungsgemäße Idee geht jedoch weit über die lediglich längs eines einzigen Bestrahlungslayer stochastisch räumlich verteilte Bestrahlungsabfolge der einzeln auf die Substratoberfläche projizierten Maskenabbilder hinaus und schlägt vor, die Substratoberfläche mehrfach, d. h. bis zu n-fach, beispielsweise bis n = 30 Bestrahlungslayer und mehr zu belichten, wobei sich die einzelnen, auf die Substratoberfläche projizierten Laserstrahlquerschnitte aus jeweils unterschiedlichen Bestrahlungslayern nicht vollständig überlappen. Hinzu kommt, dass der auf die Substratoberfläche abgebildete Laserstrahl pro Laserpuls Bestrahlungspositionen einnimmt, die in der Schussabfolge willkürlich einzelnen Bestrahlungslayern zuordenbar sind, d. h. die Substratoberfläche wird gerade nicht durch eine sequentielle Abfolge einzelner Bestrahlungslayer n = 1 bis beispielsweise n = 20 schichtweise belichtet, vielmehr erfolgt die Belichtung der Substratoberfläche durch willkürliche mosaikartige Zusammensetzung sämtlicher m der jeweils in den n Bestrahlungslayern zuordenbaren Laserstrahlquerschnitten. Auf diese Weise lassen sich systembedingte Strahlinhomogenitäten, die sich in der durch die Belichtung einhergehenden Kristallisation der Substratoberfläche durch eine mögliche charakterisierende Regelmäßigkeit widerspiegeln könnten, vollständig unterbinden.
• Als besonders vorteilhafte Maßnahme bei der Unterdrückung des bezeichneten Mura-Effektes ist zudem die Verwendung eines Laserstrahlquerschnittes in Form eines Hexagons oder eines Rhombus oder einer ähnlichen Geometrieform, die bei vielfacher lateraler Aneinanderfügung längs jeweils ihrer Begrenzungslinien ein durch die Begrenzungslinien bedingtes, orthogonales Linienmuster, das vom menschlichen Auge bevorzugt wahrgenommen kann, vermeidet.
• 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:
• 1 Prinzipskizze einer Laseranordnung zur Beaufschlagung einer Substratoberfläche mit einem Laserstrahl,
• 2 schematisierte Draufsicht auf eine Substratoberfläche zur Erläuterung der lösungsgemäßen Bestrahlungsmethode,
• 3 schematisierter Querschnitt durch zwei auf eine Substratoberfläche abgebildete Laserstrahlquerschnitte,
• 4 Bestrahlungsmuster einer Substratoberfläche mit einer Vielzahl hexagonaler Laserquerschnitte in n-Bestrahlungslayern, und
• 5 alternatives Bestrahlungsmuster mit einer Vielzahl von Laserstrahlquerschnitt in Rhombusform.
• Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
• In 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bestehend aus einem Laser 1, vorzugsweise einem Excimer-Laser, einer gerätespezifisch vorgegebenen optischen Strahlumlenkungseinheit 2, einer optischen Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit 3, die den Laserstrahl derart zu beeinflussen vermag, dass der Laserstrahl über die gesamte Laserstrahlquerschnittsfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist, durch die eine im Strahlengang nachfolgende Maske 4 gleichmäßig ausgeleuchtet wird, zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnittes. So sei im Weiteren angenommen, dass der Laserstrahlquerschnitt einem Hexagon entspricht, das eine gleichmäßig homogen ausgeleuchtete Fläche, die von sechs gleich langen Seitenkanten begrenzt ist, aufweist. Der somit hexagonale Laserstrahlquerschnitt wird über eine um wenigstens zwei Raumachsen schwenkbare Ablenkeinheit 5 und eine im Strahlengang der Ablenkeinheit 5 nachfolgenden optischen Abbildungseinheit 6 auf die Substratoberfläche 7 eines auf einem x-y-Stelltisch 8 aufliegenden Substrates 9 abgebildet. Aus Gründen einer exakten Fokussierung des Maskenbildes auf die Substratoberfläche 7, auf der das hexagonale Maskenbild mit homogener Flächenbeleuchtung und scharf ausgebildeten Maskenbildseitenflanken abgebildet werden soll, bietet es sich an, die optische Abbildungseinheit 6 als F-θ-Linsen sowie die um wenigstens zwei Raumachsen verschwenkbare Ablenkeinheit 5 als x-y-Galvospiegelsystem mit an die optischen Abbildungseigenschaften der F-θ-Linsen 6 opitmiert angepaßte Reflexionseigenschaften auszubilden. Der x-y-Stelltisch 8 verfährt die Substratoberfläche 7 linear hin und her, während die Ablenkeinheit 5 den gepulsten Laserstrahl relativ zu der sich mit konstanter Geschwindigkeit längs einer linearen Raumrichtung fortbewegenden Substratoberfläche derart pulsweise positioniert, so dass die einzelnen durch die Maskenform vorgegebenen, auf die Substratoberfläche 7 fokussierten Laserstrahlquerschnitte in der Summe flächendeckend und bündig nebeneinander liegend abgebildet werden.
• Zur weiteren Veranschaulichung des lösungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens sei auf 2 verwiesen, in der eine Draufsicht auf die Substratoberfläche 7 gezeigt ist, von der angenommen wird, dass die Substratoberfläche 7 mit einer konstanten Geschwindigkeit, jeweils angetrieben durch den x-y-Stelltisch 8 im gezeigten Falle von rechts nach links bewegt wird. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass der Stelltisch nach Erreichen einer maximalen Auslenkposition in die entgegengesetzte Raumrichtung gleicher konstanter Geschwindigkeit verfährt, wobei sich dieses Bewegungsmuster vielfach wiederholt.
• Die in 2 dargestellte Kreisfläche repräsentiert den von der F-Theta-Linsenanordnung 6 vorgegebenen Aperturbereich 10, innerhalb dem eine scharfe Abbildung des hexagonalen Laserquerschnittes auf die Fokusebene der Substratoberfläche 7 gewährleistet ist, d. h. die Laserstrahlablenkung mit Hilfe der vorzugsweise als x-y-Galvo-Scannerspiegel-Ablenkeinheit 5 kann innerhalb des Aperturbereiches 10 erfolgen. Typischerweise mißt der Durchmesser des Aperturbereiches 10 etwa 60 mm, wohingegen der Abstand a zweier zueinander parallel verlaufender Seitenkanten eines Hexagons typischerweise 6 mm beträgt.
• Zur exakten Positionierung jedes einzelnen Hexagons 11 auf der Substratoberfläche 7 innerhalb des Aperturbereiches 10 ist die konstante Bewegung der Substratoberfläche 7 zu berücksichtigen und die Laserstrahlorientierung bei jedem einzelnen Laserschuss bzw. -puls durch die Galvo-Ablenkeinheit 5 entsprechend kontrolliert vorzunehmen.
• Um ein flächendeckend und gleichmäßig verteiltes Kristallwachstum durch die jeweils lokale Bestrahlung der Substratoberfläche 7 durch Vielfachzusammensetzung einzelner Beleuchtungsfelder zu erreichen, gilt es die Positionierung jedes einzelnen Hexagons 11 auf der Substratoberfläche 7 in einer gemäß Querschnittsdarstellung in 3 skizzierten Weise zu plazieren. 3 zeigt einen stilisierten Lichtintensitätsverlauf zweier unmittelbar benachbarter Hexagons. Die Hexagone überlappen somit ausschließlich in ihren Flankenbereichen, in denen die Lichtintensität sehr stark bzw. scharf abfällt. Durch diese geometrische Anordnung zweier benachbarter Hexagone wird vermieden, dass die gleichmäßig ausgeleuchteten Hexagonflächen eine gegenseitige Überlappung erfahren.
• Zur lösungsgemäßen Beleuchtung bzw. Bestrahlung der Substratoberfläche 7 werden die aufgrund ihrer hexagonalen Form (siehe 2) in Zeilen z und Spalten s anordenbare Beleuchtungspositionen bei jedem einzelnen Laserpuls statistisch verteilt innerhalb des Aperturbereiches 10 vom x-y-Galvo-Scannerspiegel 5 angeordnet. Die Geschwindigkeit, mit der die Substratoberfläche 7 linear zum räumlich feststehenden Aperturbereich 10 bewegt wird ist auf die Repetitionsrate bzw. die Pulsfrequenz des Lasers abzustimmen, so dass gewährleistet ist, dass die im gezeigten Ausführungsbeispiel in 2 links aus dem Aperturbereich 10 austretende Substratoberfläche 7 vollständig und flächendeckend mit Beleuchtungshexagonen 11, zur Gewährleistung einer vollständigen Kristallisation der amorphen Siliziumsubstratoberfläche 7, bedeckt ist.
• Das in 2 dargestellte schematisierte Ausführungsbeispiel erläutert jedoch lediglich die Bestrahlung der Substratoberfläche 7 jeweils im Rahmen einer einmaligen Bestrahlungsschicht bzw. eines einmaligen Bestrahlungslayers, das lösungsgemäße Verfahren sieht jedoch vor, die Substratoberfläche 7 mit einer Vielzahl n übereinander liegender Bestrahlungslayer n-fach zu bestrahlen. Zur Veranschaulichung dieser Vielfachschichtbestrahlung sei auf 4 verwiesen, die einen Ausschnitt einer belichteten Substratoberfläche 7 zeigt. Dargestellt sind jeweils n = 6-fach übereinander liegende Bestrahlungslayer, von denen jeder einzelne aus einer Zusammenfügung einzelner Vielzahl hexagonaler Beleuchtungsflächen 11 besteht und die jeweils mit einem stochastischen Beleuchtungsverfahren, wie es im Ausführungsbeispiel gemäß 2 beschrieben ist, hergestellt wird. Die jeweils schichtförmige Anordnung der einzelnen hexagonalen Bestrahlungsflächen sind schichtweise zueinander derart versetzt angeordnet, so dass sich Hexagone unterschiedlicher Bestrahlungslayer nicht vollständig überdecken. Vorzugsweise beträgt der geometrische Versatz der Hexagonanordnung zweier aufeinander liegender Bestrahlungslayer sowohl in der x als auch y-Richtung dem n-ten Teil des jeweils lateralen Abstandes F_x bzw. F_y zweier jeweils parallel zueinander verlaufender Seitenkanten eines Hexagons. Hierdurch wird vermieden, dass die räumlichen Lagen der jeweiligen Begrenzungslinien eines jeweiligen Hexagons exakt übereinander zu liegen kommen.
• Zur Vermeidung jeglicher, sich möglicherweise geometrisch regelmäßig ausbildenden Raumstrukturen, die letztlich im Endprodukt auf der Displayoberfläche eines Flachbildschirmes als Mura-Effekte in störender Weise optisch in Erscheinung treten, wird die Laserstrahlführung zur Realisierung eines in 4 dargestellten Bestrahlungsmusters derart vorgenommen, dass die Positionierung der einzelnen, typischerweise mit einer Repetitionsfrequenz von 300 Hz erfolgenden Laserpulse willkürlich in Bezug auf die Zugehörigkeit der einzelnen Beschichtungslayer sowie auch willkürlich im Sinne der in 2 erläuterten Bestrahlungsreihenfolge zur vollständigen Substratoberflächenausleuchtung im Rahmen nur eines einzigen Bestrahlungslayers erfolgt. Eine mögliche Positionierung aufeinanderfolgender Laserpulse könnte wie folgt vorgenommen werden: Bestrahlungslayer 1, Hexagonposition Zeile 1 Spalte 4, Bestrahlungslayer 6, Hexagonposition Zeile 2 Spalte 1, Bestrahlungslayer 3, Hexagonposition Zeile 3, Spalte 3 etc.
• Auch in diesem Fall gilt die Forderung, dass das durch die von der Vielzahl einzelner Laserschüsse bestrahlte Substratoberfläche 7, die seitlich aus dem Aperturbereich 10 im Wege der Stelltischbewegung austritt, vollständig, d. h. flächendeckend in sämtlichen Bestrahlungslayern bestrahlt worden ist.
• Die Strahlungsintensität jedes einzelnen Bestrahlungsereignisses durch die Deposition der Lichtenergie eines Laserpulses auf einer durch die Maske vorgegebenen hexagonalen Fläche ist sowie auch die Anzahl der übereinander durchzuführenden Belichtungsschritte ist in Abhängigkeit von der gewünschten Korngröße des polykristallin auskristallisierten Siliziums vorzunehmen. Wie eingangs erläutert ist es wünschenswert möglichst große Körner zu generieren, ähnlich der Korngröße im einkristallinen Silizium. In praktischen Anwendungsfällen werden hierzu 20 bis 40 übereinander durchzuführende Belichtungsschritte realisiert um eine möglichst hochqualitative Polysiliziumstruktur zu erhalten. Hierbei wird jedoch die Substratoberfläche bzw. die amorphe Siliziumschicht, die es in eine Polysiliziumschicht umzuwandeln gilt, mit jedem einzelnen Laserpuls nicht vollständig durchschmolzen, sondern nur teilweise angeschmolzen. Erst durch eine vollständige, n-fach überlagerte Vielfachbestrahlung und damit wiederholtes Anschmelzen und Re-kristallisieren wird eine endgültige gewünschte Polysiliziumkristallschicht erzielt.
• In 5 ist ein Belichtungsergebnis einer Substratoberfläche dargestellt, die erzielt worden ist mit jeweils rhombusförmig ausgeprägten Laserstrahlquerschnitten 12, die flächendeckend jeweils bündig aneinander liegen in n = 5 versetzt übereinander angeordnete Bestrahlungslayer angeordnet sind. Auch in diesem Fall ist die Positionierung des Laserstrahls für jedes einzelne Bestrahlungsereignis auf der Substratoberfläche stochastisch in Bezug auf die Zugehörigkeit des jeweiligen Bestrahlungslayers als auch in Bezug auf die innerhalb eines Bestrahlungslayers charakterisierenden x-y-Koordinaten. Bei der Wahl des Laserstrahlquerschnittes in Rhombusform zeigt sich, dass die länglich verlaufenden Begrenzungslinien der in n Bestrahlungslayern übereinander liegenden einzelnen Rhomben 12 näher zusammenliegen (siehe x-Richtung) als jeweils die kürzer ausgebildeten Begrenzungslinien der einzelnen Rhomben in der n-Schichtanordnung.
• Bezugszeichenliste

1

Laser

2

optische Umlenkeinheit

3

Strahlformer/Homogenisierer

4

Maske

5

Strahlablenkeinheit

6

optische Abbildungseinheit, F-Theta-Linsenanordnung

7

Substratoberfläche

8

x-y-Stelltisch

9

Substrat

10

Aperturbereich

11

Hexagon

12

Rombus

Claims (9)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung einer Oberfläche eines Flächensubstrates, mittels eines Lasers (1) zur Erzeugung eines auf die Substratoberfläche (7) gerichteten, gepulst betriebenen Laserstrahls, der zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Laserstrahlquerschnittes eine, einer Strahlformungs- und Homogenisierungseinheit (3) im Strahlengang nachfolgende Maske (4) gleichmäßig ausleuchtet, wobei der Laserstrahlquerschnitt einen durch k > 3 geradlinige Begrenzungslinien einbeschriebenen Umfangsrand aufweist und mittels einer wenigstens um zwei Raumachsen (x-y) schwenkbaren Ablenkeinheit (5) und einer im Strahlengang der Ablenkeinheit (5) nachfolgenden Optikeinheit (6) auf die Substratoberfläche (7) abgebildet wird, wobei der Optikeinheit (6) ein auf der Substratoberfläche (7) begrenzter Aperturbereich (FOV) (10) zugeordnet wird und das Flächensubstrat wenigstens längs einer ersten Raumachse relativ zum ruhenden Aperturbereich (10) bewegt wird und der Laserstrahl unabhängig von der Bewegung des Flächensubstrats längs der ersten und längs einer, zu der ersten Raumachse orthogonal orientierten zweiten Raumachse, die parallel zur Substratoberfläche (7) ausgerichtet ist, innerhalb des Aperturbereiches (10) räumlich verteilt ausgelenkt und positioniert wird, wobei der Laserstrahl wenigstens unter Maßgabe der zwei nachfolgenden räumlichen Auslenkkriterien für jeden Laserpuls relativ zur Substratoberfläche (7) derart räumlich positioniert wird, dass die Bestrahlung der Substratoberfläche (7) derart erfolgt, dass benachbart auf der Substratoberfläche (7) abgebildete, einer Vielzahl m einzelner Laserpulse zugeordneter Laserstrahlquerschnitte nahtlos jeweils mit Abschnitten ihrer Umfangsränder aneinandergrenzen und einen Bestrahlungslayer ausbilden und dass die Substratoberfläche zumindest in einem Teilbereich wiederholt unter Ausbildung jeweils n Bestrahlungslayern n-mal, mit n ≥ 2 bestrahlt wird, wobei die Umfangsränder von auf der Substratoberfläche (7) abgebildeten Laserstrahlquerschnitten, die zu unterschiedlichen Bestrahlungslayern gehören, jeweils einen konstant vorgegebenen räumlichen Versatz aufweisen und wobei die räumliche Positionierung zweier jeweils zeitlich aufeinander folgender Laserpulse in Bezug auf die Ortsposition innerhalb eines Bestrahlungslayers und/oder in Bezug auf die Zugehörigkeit zu jeweils einem Bestrahlungslayer stochastisch vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Substratoberfläche (7) zumindest eine Schicht aus einem amorphem Halbleiter vorhanden ist, der bei Bestrahlung mit dem Laserstrahl zumindest teilweise aufgeschmolzen und nach Erkalten in eine kristalline Form umgewandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter amorphes Silizium vorhanden ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als auf die Substratoberfläche (7) abgebildeter Laserstrahlquerschnitt ein Hexagon, Trapez oder Rhombus gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Optikeinheit (6) eine F-Theta-Linsenanordnung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Laserpulsen auf der Substratoberfläche (7) zugeordneten Laserstrahlquerschnitte in jedem Bestrahlungslayer in einer regelmäßigen zeilen- und spaltenförmigen Arrayanordnung nahtlos aneinandergrenzen, wobei eine Bestrahlungsreihenfolge, mit der die Substratoberfläche (7) mit einer vorgegebenen Repetitionsrate mit Laserpulsen beaufschlagt wird, bar jeglicher Regelmäßigkeit ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche (7) relativ zum ruhenden Aperturbereich (10) längs der ersten Raumachse mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate der Laserpulse und die Bewegungsgeschwindigkeit der Substratoberfläche (7) derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine vollständige, flächendeckende Bestrahlung des wenigstens einen zusammenhängenden Bereiches der Substratoberfläche (7) innerhalb des Aperturbereiches (10) unter Ausbildung von n-Bestrahlungslayern bei einmaligem Durchfahren der Substratoberfläche (7) durch den Aperturbereich (10) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratoberfläche (7) ein für die Herstellung von AMLCD (Active-Matrix-Liquid-Crystal-Display) oder von AMOLED (Active-Matrix-Organic-Light-Emitting-Diode) geeignetes Substrat (9) gewählt wird.

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