JP2013510443A - 非周期的なパルスによる部分的溶解膜処理のシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3A
Description
本出願は、米国特許第61/264082号「拡張型エキシマレーザアニーリングシステムおよび方法(Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing)」(2009年11月24日出願)、米国特許第61/286643号「拡張型エキシマレーザアニーリングシステムおよび方法(Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing)」(2009年12月15日出願)、米国特許第61/291488号「拡張型エキシマレーザアニーリングシステムおよび方法(Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing)」(2009年12月31日出願)、米国特許第61/257657号「部分溶解結晶化を通して低粒子内欠陥密度膜を用いる均一なサイズの小粒子多結晶性シリコンを得る方法(Method For Obtaining Uniformly Sized Small Grain Polycrystalline Silicon With Low Intragrain Defect−Density Films Through Partial Melt Crystallization)」(2009年11月3日出願)、米国特許第61/257650号「部分溶解結晶化を通して低粒子内欠陥密度膜を用いる均一なサイズの小粒子多結晶性シリコンを得る方法(Method For Obtaining Uniformly Sized Small Grain Polycrystalline Silicon With Low Intragrain Defect−Density Films Through Partial Melt Crystallization)」(2009年11月3日出願)、米国特許第61/291,663号「拡張型単一走査SLS(Advanced Single−Scan SLS)」(2009年12月31日出願)、米国特許第61/294,288号「連続発射SLS(Sequential Firing SLS)」(2010年1月12日出願)、米国特許第12/776756号「非周期的なパルスの連続的な横方向凝固のためのシステムおよび方法(Systems and Methods for Non−Periodic Pulse Sequential Lateral Solidification)」(2010年5月10日出願)、国際特許出願PCT/US2010/033565号「非周期的なパルスの連続的な横方向凝固のためのシステムおよび方法(Systems and Methods for Non−Periodic Pulse Sequential Lateral Solidification)」(2010年5月4日出願)に対する優先権を主張し、それらすべての開示をここに出典明示して、本明細書に組み入れる。
レーザパルスの例示的なシーケンスを図2Aから図2Cに表す。y軸はエネルギー密度を表し、x軸は時間を表す。図2Aは、従来のELA処理において使われ得るレーザの周期的なパルス率を表す。周期的なレーザ反復率は、時間領域において均等に間隔を空けたレーザパルスパターンを結果としてもたらす。図2Bは、本明細書で開示される非周期的なパルス生成の例を示し、第2パルス105は第1パルス106と近接した時間関係で発生する。その後、第3パルス107が、第1パルス106と第2パルス105間の間隔より異なる時間間隔で発生する。図2Cは、レーザパルスのパルス率とレーザパワー(エネルギー密度)の両方が異なる場合の一実施形態を例示する。このように、照射された膜は、非周期的なパルス率と可変的な照射エネルギーを経る。第1パルス106と第2パルス105間の時間が比較的短いため、第1パルス106と第2パルス105によって照射される領域は重なりが増加する。
非周期的なELAシステムは、以下の特徴の一以上を有する。つまり、複数のレーザまたはレーザチューブ、および短く連続するパルスを持つために後のパルスの起動を遅らせる手段のうち一以上を有する。システムは、レーザビームパルスが基板の特定の位置を照射するようにパルスの起動を位置制御することも有する。時間的に近接配置された2つのパルスのタイミングは、膜の照射された部分がパルス間で凝固されるようにすることが望ましく、一方、位置制御は、例えば、画素TFTや回路の列を作るために、照射された領域が基板上に適切に位置することを確実にする。レーザビームパルスは、パルスのシーケンスが選択された領域と重なるのに十分なビーム幅を持つトップハットビームプロファイルを持つことが更に望ましい。
1.予め選択された領域への効率的な電力伝達:位置制御の効果により、画素TFT/回路間の領域が不必要に結晶化されることが無くなる。これはより高い有効結晶化率をもたらす。
2.ビーム端に関連するアーチファクトの除去:ビーム端は画素TFT/回路領域に当たらないので、その中の結晶化領域がすべて全く同じパルスシーケンスを受ける。
3.パルスシーケンスの最適化:領域は、複数のレーザ源からのパルスシーケンスによって、および多数の走査の間照射され、そのことによりシーケンスが最適化され得る(例えば、パルスエネルギー、パルス継続時間、パルスの余熱)。
4.走査間に垂直方向の変位を行うことによって、長軸上のビームの不均一性を軽減すること(短軸上のビームの不均一性も、走査内、または走査間に効果的な並行変位によって軽減され得る。すなわち、関心領域に対するビームの横位置を移すことによって)。
図3Aは、非周期的なパルスELAシステムを表す。システムは、例えば、308nm(XeCl)、248nmまたは351nmで動作する複数のレーザパルス源110、110’を含む。一連のミラー206、208、212は、y方向に走査可能であるサンプル台180にレーザビームを向ける。ビームは、例えば、約360mm、約470mm、約720mmまたは、1、2、またはそれ以上の走査におけるガラスパネルを処理するのに適切ないかなる長さを持つラインビームの形に形成される。システムは、レーザビームの空間プロファイルを制御するために使われ得るスリット140およびスリット140の反射を読み取るためのエネルギー密度測定器216のを含んでいてもよい。オプションのシャッター228は、サンプルが無い場合、または照射が必要でない場合に、ビームをブロックするために使われ得る。サンプル170は、処理のために台180上に配置され得る。更に、ホモジェナイザーが、より均一なトップハットビームプロファイルを提供するために使われ得る。減衰器が使われ得る。ビームエネルギーは、レーザを直接制御することによって制御される。台180は、線形移動台であり得、横方向に移動する機能を持ち得る。任意で、システムはパルスエクステンダー213およびミラー214を、延長継続時間パルスを生成するために含み得る。
図5Aは、非周期的なパルスELA処理を表す。図5Aは、2つのレーザパルスの2組によって照射された膜の例示的な図を示す。図において、第1の2つのレーザパルスはある時間的に共に近接して発生し、遅延(その間基板が矢印980によって示される−y方向に動き続ける)の後で、第2の2つのレーザパルスも時間的に共に近接して発生する。処理は少なくとも4つの照射ステップを含み、その照射ステップは、一次レーザからのパルスに対応する2つの照射ステップ(ステップ1と3)、および二次レーザからのパルスに対応する2つの照射ステップ(ステップ2と4)からなる。
上記のように、部分溶解結晶化技術は、シリコン膜を結晶化するために1以上の照射を使うものであり、少なくとも最後のパルスが膜の完全な溶解を誘起しない。いくつかの実施形態において、部分的な溶解フラッド照射方法を、微細粒子均質結晶膜を生成するため、あるいは非周期的なパルス照射方法のための、前駆体膜を生成するために用いることができる。部分的な溶解フラッド照射方法は、ツーショットの部分的溶解処理であり得、そこで、いかなる既存の微結晶をも欠いた非晶質シリコン膜(例えば、PECVD膜)は、2ステップで、膜厚を超える平均横方向寸法を持つ粒子を有する微細粒子均質結晶膜に変形される。部分的な溶解フラッド照射方法は、延長継続時間ワンショット部分的溶解処理でもあり得、ここでは、いかなる既存の微結晶をも欠いた非晶質シリコン膜(例えば、PECVD膜)は、膜厚より短い平均横方向寸法を持つ粒子を有する微細粒子均質結晶膜に変形される。
別の形態において、完全な溶解レジームにおける照射は、微細粒子均質結晶膜を生成するために、または後の累積ELA処理を有利にする、最初に結晶化された多結晶膜を生成するために使われる。完全溶解結晶化(CMC)は、ワンショット照射がSi膜の完全な溶解に使われ、その後、その膜が核形成を通して結晶化する技術である(米国特許第10/525,288号「実質的な均一度を提供するための基板上の膜領域のレーザ結晶化プロセスのための処理およびシステム、およびそのような膜領域の構造(Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to provide substantial uniformity, and a structure of such film regions)」参照)。CMCは、レーザパルスのステージ同期放射を更に可能にするフラッド照射ツールを用いて実行されるUGS方法と称されるものの一つである(2D投影システムを使用する、米国特許第10/525,297号「縁領域を最小化するための基板上の膜領域のレーザ結晶化プロセスのための処理および方法、およびそのような膜領域の構造(Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to minimize edge areas, and a structure of such film regions)」、およびラインビームELAシステムを使用する、米国特許第11/373,772号「ライン型ビームを用いる基板上の膜領域のレーザ結晶化プロセスのための処理およびシステム、およびそのような膜領域の構造(Processes and systems for laser crystallization processing of film regions on a substrate utilizing a line −type beam, and structures of such film regions)」参照)。
Claims (49)
- 第1の選択された方向に薄膜を進める間、第1レーザパルスと第2レーザパルスを用いて前記薄膜の第1領域を照射し、各レーザパルスは成形ビームを供給し、前記薄膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持ち、前記第1領域が再凝固および結晶化して第1結晶化領域を形成すること;及び
第3レーザパルスと第4レーザパルスを用いて前記薄膜の第2領域を照射し、各パルスは成形ビームを供給し、前記薄膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持ち、前記第2領域が再凝固および結晶化して第2結晶化領域を形成することを含み、
前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルス間の時間間隔は、前記第1レーザパルスと前記第3レーザパルス間の時間間隔の半分未満である、
薄膜処理方法。 - 前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルス間の前記時間間隔は、前記薄膜の単一の溶解および凝固サイクル間の時間間隔より長い、請求項1に記載の方法。
- 前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルスのそれぞれは、同じエネルギー密度を持つ、請求項1に記載の方法。
- 前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルスのそれぞれは、異なるエネルギー密度を持つ、請求項1に記載の方法。
- 前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルスのそれぞれは、前記薄膜の同程度の溶解を達成する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1レーザパルスと前記第2レーザパルスのそれぞれは、前記薄膜の異なる程度の溶解を達成する、
請求項1に記載の方法。 - 前記薄膜は、既存の微結晶を欠いた非晶質シリコン膜を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記第1レーザパルスは、前記非晶質シリコン膜を溶解し、不完全なコア領域を持つ結晶構造体を生成するのに十分なエネルギー密度を持つ、請求項7に記載の方法。
- 前記第2レーザパルスは、前記不完全なコア領域を再溶解し、均質微細粒子結晶膜を生成するのに十分なエネルギー密度を持つ、請求項8に記載の方法。
- 前記薄膜は、非晶質シリコン膜を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜は、低圧化学蒸着、プラズマ促進化学蒸着、スパッタリング、および電子ビーム蒸着の一つを使って蒸着される、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜は、処理されたシリコン膜を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記処理されたシリコン膜は、以下を含む方法により後で処理された既存の微結晶を欠いた非晶質シリコンである請求項12に記載の方法:
第2の選択された方向に前記非晶質シリコン膜を進める間、前記非晶質シリコン膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持つ広範囲のレーザパルスで前記非晶質シリコン膜を照射すること。 - 前記広範囲のレーザパルスは、多数のレーザ源からのレーザパルスの連続的な重なりによって生成され、パルス間の遅延は、単一の溶解および凝固サイクルを誘起するほど十分短い、請求項13に記載の方法。
- 前記非晶質シリコン膜は、プラズマ促進化学蒸着を介して得られる、
請求項13に記載の方法。 - 前記広範囲のレーザパルスは、300ns全幅半値より大きいパルス長を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記処理されたシリコン膜は、以下を含む方法により処理されたシリコン膜である請求項12に記載の方法:
第2の選択された方向に前記シリコン膜を進める間、前記シリコン膜を完全に溶解するのに十分なフルエンスを持つレーザパルスで前記シリコン膜を照射すること。 - 前記レーザパルスは、複数のレーザ源からのレーザパルスの重なりによって生成される、
請求項17に記載の方法。 - 第2の選択された方向に前記薄膜を進める間、第5レーザパルスと第6レーザパルスで前記薄膜の第3領域を照射し、各レーザパルスは、形成ビームを供給し、前記薄膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持ち、、前記第3領域は再凝固および結晶化して第3の結晶化領域を形成すること、及び
第7レーザパルスと第8レーザパルスで前記薄膜の第4領域を照射し、各パルスは、形成ビームを供給し、前記薄膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持ち、前記第4領域は再凝固および結晶化して第4の結晶化領域を形成することを含み、
前記第5レーザパルスと前記第6レーザパルス間の時間間隔は、前記第5レーザパルスと前記第7レーザパルス間の時間間隔の半分未満である、
請求項1に記載の方法。 - 前記第2の選択された方向は前記第1の選択された方向と逆であり、前記第3の領域は前記第2の領域と重なり、前記第4の領域は前記第1の領域と重なる、請求項19に記載の方法。
- 前記第2の選択された方向は、前記第1の選択された方向と同じであり、前記第3の領域は前記第1の領域と重なり、前記第4の領域は前記第2の領域と重なる、請求項19に記載の方法。
- 前記第2の選択された方向に前記薄膜を進める前に、前記第1の選択された方向と垂直な方向に前記薄膜を移動する、請求項19に記載の方法。
- 各レーザパルスは、上部に均一なエネルギー密度を持つラインビームを含む、請求項1に記載の方法。
- 各レーザパルスは、フラッド照射パルスを含む、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法により処理された薄膜。
- 請求項1に記載の方法により処理された薄膜を含む装置であって、前記装置は、前記薄膜の複数の結晶化領域内に配置された複数の電子回路を含む装置。
- 前記装置は表示装置を含む、請求項26に記載の装置。
- レーザパルスを生成するための一次および二次レーザ源と、
基板上の薄膜を固定する作業台と、
前記ビームパルスに対し前記薄膜を動かし、それにより前記薄膜の表面上の前記レーザビームパルスの伝搬方向を生成するための台と、
前記一次源からの第1レーザパルスによって照射される前記可動台に載せられた薄膜の第1領域、前記二次源からの第2レーザパルスによって照射される前記薄膜の第2領域、および前記一次源からの第3レーザパルスによって照射される前記薄膜の第3領域を提供するために台に同期したレーザを発射するための処理命令を持つコンピュータを含み、
処理命令は、前記第1、第2、および第3領域を照射するために、前記ビームパルスに対し、伝搬方向で前記膜を動かすために含まれ、
前記第1領域の中央と前記第2領域の中央間の距離は、前記第1領域の前記中央と前記第3の中央間の距離の半分未満であり、
前記第1、第2、および第3レーザパルスは、前記薄膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持つ、
非周期的なレーザパルスを使用する薄膜処理システム。 - 前記台は一定速度で移動する、請求項28に記載のシステム。
- 既存の微結晶を欠いた非晶質シリコン膜を細かい粒子から成る膜に変換する方法であり、前記方法は、
前記非晶質シリコン膜を第1の選択された方向に進める間、前記非晶質シリコン膜を部分的に溶解するのに十分なフルエンスを持つ広範囲のレーザパルスで前記非晶質シリコン膜を照射し、
前記細かい粒子から成る膜は前記膜の厚さより短い平均横方向寸法を持つ粒子を含む方法。 - 前記広範囲のレーザパルスは、300ns全幅半値より大きいパルス長を含み、フラッド照射パルスである、請求項30に記載の方法。
- 前記広範囲のレーザパルスは複数のレーザ源からのレーザパルスの遅延した重なりによって生成され、パルス間の前記遅延は単一の溶解および凝固サイクルを誘起するほど十分短い、請求項30に記載の方法。
- 前記非晶質シリコン膜は、プラズマ促進化学蒸着を介して得られる、請求項30に記載の方法。
- 基板上の半導体薄膜であって、前記薄膜は前記基板に隣接する底面に位置する底界面と、前記底面の反対側の上面を持つ半導体薄膜を提供すること;及び
前記膜の完全な溶解閾値の1.3倍より大きいエネルギー密度を持つレーザビームで前記薄膜を照射することを含み、前記エネルギー密度は前記膜を完全に溶解するよう選択され、
凝固の開始において、キャップ層が前記半導体膜の前記上面で表面界面を形成するために存在し、
前記膜の照射および完全な溶解の後で、非均質核形成が前記上界面と前記底界面の両方で発生し、
冷却に際して、前記非均質核形成は前記膜の前記底面で低欠陥シリコン粒子を形成する、
薄膜処理方法。 - 前記レーザビームは、80nsより大きいパルス継続時間を持つ、請求項34に記載の方法。
- 前記レーザビームは、200nsより大きいパルス継続時間を持つ、請求項34に記載の方法。
- 前記レーザビームは、400nsより大きいパルス継続時間を持つ、請求項34に記載の方法。
- 前記半導体薄膜は、厚さ約100nmから約300nm間のシリコン膜を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記基板はガラスを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記基板は石英を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記粒子は小さな等軸晶を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記レーザビームの前記エネルギー密度は、前記局所的に完全に溶解する閾値の1.4倍である、請求項34に記載の方法。
- 前記キャップ層は、照射前に前記薄膜の前記上面に薄膜を蒸着することによって形成される、請求項34に記載の方法。
- 前記キャップ層は、50nmより薄い厚さの酸化物層を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記キャップ層は、酸素化環境において前記薄膜を照射することによって形成される、請求項34に記載の方法。
- 前記酸素化環境は空気を含む、請求項45に記載の方法。
- 前記酸素化環境は酸素のみを含む、請求項45に記載の方法。
- 前記基板は絶縁膜によって覆われたパターン化された金属膜を含み、前記エネルギー密度は前記薄膜の前記完全な溶解閾値の1.3倍より大きい、請求項34に記載の方法。
- 前記パターン化された金属膜はボトムゲートを含み、前記絶縁膜はゲート誘電体を含む、請求項48の方法によって作られたボトムゲートTFT。
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