(57)【要約】  ガラス基板上のシリコン層をアニーリングするように備えられた薄型ビームを導光する結晶化システムは、一端に強度ピークを有する特殊な短軸レーザービームプロファイルを用いる。当該システムは、シリコン層の一部を溶融することで横方向結晶成長を生じさせるように備えられている。あるパルスステップサイズだけ基板又はレーザーを進め、かつ、前記レーザーからの連続する“ショット”を前記シリコン層へ照射することによって、前記シリコン層の全体は、溶融及び結晶成長の繰り返しを経て結晶化する。各ショットの結果生じる前記横方向結晶成長は、溶融領域の中心に突起部を生成する。この突起部は再溶融されなければならない。従って前記ステップサイズは、前記突起部の溶融が保証されるように、連続するショット間、つまり前記溶融領域間で十分な重なりが存在するようなサイズでなければならない。このため、前記ステップサイズは、任意の単一レーザーパルスからの横方向成長距離未満であることが必要である。横方向結晶成長に等しいステップサイズは、理論上の最大ステップサイズである。ステップサイズが小さくなれば処理能力が低下し、かつコストが増大する。本明細書に記載されたシステム及び方法に従って用いられた前記特殊な短軸レーザービームプロファイルは、前記突起部の溶融を保証しながら前記ステップサイズを増大させ、それにより処理能力を向上させてコストを減少させる。
2009535857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶ディスプレイの処理方法であって：
短軸でのレーザービームプロファイルを形成する工程であって、前記ビームが照射されるシリコン基板内の突起部に相当する、前記プロファイルの一の端部付近に、より多くのエネルギーを付与する工程；及び
前記レーザービームを照射するためのステップサイズを、理論上の最大ステップサイズ付近にまで増大させる工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記レーザービームの長軸プロファイルを形成して長い薄型ビームを生成する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザービームプロファイルが前記短軸において約5μmである、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザービームプロファイルが長さ730mmである、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザービームプロファイルがガラス基板の同程度の幅である、請求項3に記載の方法。
【請求項６】
前記ガラス基板は、前記ビームプロファイルにおいて、一程速度で移動する、請求項3に記載の方法。
【請求項７】
前記ビームプロファイルは、0.5乃至4μmの並進後に発光するように備えられている、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記ビームプロファイルは、約2.5μmの並進後に発光するように備えられている、請求項5に記載の方法。
【請求項９】
前記ビームは351nmの波長を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記ビームは308nmの波長を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
短軸でのレーザービームプロファイルを形成する工程であって、前記ビームが照射されるシリコン基板内の突起部に相当する、前記プロファイルの一の端部付近に、より多くのエネルギーを付与する工程；及び
前記レーザービームを照射するためのステップサイズを、理論上の最大ステップサイズ付近にまで増大させる工程；
によって製造される液晶ディスプレイ。
【請求項１２】
液晶ディスプレイを製造するための装置であって：
レーザー光を周期的に生成するように備えられたレーザー；
該レーザーと結合し、かつ前記のレーザーから放出されるレーザー光を、短軸と長軸を有する長い薄型ビームに変換するビーム形成光学系であって、
前記短軸でのビームプロファイルは、前記レーザー光が照射されるシリコン基板内の突起部に相当する端部付近に、より多くのエネルギーを有する、ビーム形成光学系；
前記シリコン基板を支持するように備えられた台；及び
該台と結合する並進装置であって、前記レーザーの周期的発光と連動するステップサイズを、理論上の最大ステップサイズ付近となるように、前記シリコン基板を前進させるように備えられている、並進装置；
を有する装置。
【請求項１３】
前記レーザーが少なくとも900ワットのレーザーである、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザーが351nmで動作する、請求項12に記載の装置。
【請求項１５】
前記レーザーが308nmで動作する、請求項12に記載の装置。
【請求項１６】
前記ビーム形成光学系が、前記短軸において約5μmであるプロファイルを有するレーザービームを生成するように備えられている、請求項12に記載の装置。
【請求項１７】
前記ビーム形成光学系が、前記長軸において約730mmであるプロファイルを有するレーザービームを生成するように備えられている、請求項12に記載の装置。
【請求項１８】
前記並進装置が、前記シリコン基板を一定速度で移動させるように備えられている、請求項16に記載の装置。
【請求項１９】
前記レーザーは、約5μmの並進後に発光するように備えられている、請求項17に記載の装置。
【請求項２０】
前記ステップサイズは約2.5μmである、請求項15に記載の装置。
【請求項２１】
前記シリコン基板がガラス基板上に設けられる、請求項12に記載の装置。
【請求項２２】
前記レーザーは、2チャンバのレーザーシステムである、請求項12に記載の装置。
【請求項２３】
前記チャンバのうちの一は主オシレータとして機能し、かつ
前記チャンバのうちの他は出力増幅装置として機能する、
請求項22に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は概して液晶ディスプレイ(LCD)に関し、より詳細にはLCDの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイ中の各画素の制御にアクティブ薄膜トランジスタ(TFT)が用いられるアクティブマトリックスLCDには、すでに十分確立され、かつ成長中の市場が存在する。たとえばアクティブマトリックスLCDは、コンピュータの画面用として普及している技術である。それに加えて近年、アクティブマトリックスLCDによる解決法はまた、テレビ、携帯電話、PDA、ビデオレコーダ等の市場分野にも急激に入り込んできた。
【０００３】
アクティブマトリックスLCDは、ディスプレイ産業の最も成長する分野となることが期待されている。ここ5年で予想される平均の年間成長率は35%である。対照的に、パッシブLCD及び従来の陰極線管(CRT)は、平坦乃至は負の成長率であると予想される。正の成長率が予想される他の唯一のディスプレイ技術は有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイである。OLEDディスプレイは、特殊用途向けに今まさに出現していて、かつ2007年以降では毎年2倍よりも大きくなると予想されている。
【０００４】
急激な全体の成長に加えて、LCD市場の性質は変化している。つまり新たなLCD用途には、より多様であること、及びより特殊な要件が含まれる。たとえば電話の約50%はLCDだが、LCD分野全体はわずか2%に過ぎない。対照的に、モニタの約27%はLCDだが、モニタ自体は分野全体で50%である。TV用途の急激な成長とスクリーンサイズの大型化により、2008年までに、テレビは、LCD分野全体の30%超を有すると予想される。これらの大型スクリーン用途は、従来のLCD用途と比較して多くの特別な要件を有する。
【０００５】
予想される高成長率を支え、かつ新たな市場機会での競争に成功するため、LCD製造者らは、新興のディスプレイ製造技術を利用して、供給するLCDの特性と性能を改善すると同時にLCDの製造コストと処理能力も改善できなければならない。
【０００６】
LCD産業が、急激な成長及び製造の製品の多様性についての次の段階へ進むことで、成功するための要因には、より小さな画素サイズ、及びより高い密度-これらはTFTのサイズの直接的な関数である-及び、ビデオについての要件を満たすための、より高速のTFTスイッチング速度が含まれると思われる。ディスプレイをより明るくできるようにすること、画素あたりの光量を増やすために開口比を改善すること、及び全体としてより製造コストを低くすることもまた成功のための要因である。処理能力を迅速にし、かつ、パネルあたりの良好なディスプレイの歩留まりを一貫して高くする結果として、製造コストを低下させることが可能となる。長期的に成功するためには、LCD製造者らは、たとえばOLEDのような新興で高成長の種類のスクリーンの効率的な製造を費用対効果良くできる技術的解決法に投資することが重要となる。
【０００７】
アクティブマトリックスLCD用のTFTの製造を支えるガラス基板上の導電性層の生成には、2つの基本的な処理方法が現在用いられている。その2つの基本的な処理方法とは、アモルファスシリコン(a-Si)と低温多結晶シリコン（poly-Si又はLTPS）である。a-Siプロセスでは、ゲート層が、PECVDで成膜されたSi膜上に直接生成される。poly-Si又はLTPSプロセスでは、PECVDで成膜されたSi膜は、より高性能のTFTを製造するため、ゲート作製前に結晶化される。これらのプロセスでは、ガラス基板の溶融を避けるために温度は低く保たれる。アモルファスシリコントランジスタを介する電子の運動は本質的に遅いため、ソースからドレインへ十分な電流を供するためには、a-SiベースのTFTは物理的に大きくなければならない。他方多結晶シリコンで実現可能な電子の移動度ははるかに高いので、LTPSベースのTFTは小さくできるし、かつ高速にもできる。多結晶シリコントランジスタは本質的に小さいので、より多くの光が各画素を通過することができる。このため、開口比の改善、及び/又は画素密度の増大を可能にする設計の柔軟性を得ることができる。
【０００８】
LTPSがTFTサイズ及び性能についての利点を有しているにも関わらず、現状のLCDパネルのほとんどは未だにアモルファスシリコンプロセスを用いて製造されている。これは主として、a-Siプロセスは、そのプロセス工程数が少ないために相対的にコストが低くなるため、及び、LTPS装置は十分に成熟していないため、付随する潜在的な未知要素が存在するためである。a-Siはまたコストを最小限に抑える上で“安全な”プロセスであった。その理由は、大型スクリーンのLCD内に1個でも欠陥があれば、装置全体がスクラップとなってしまうからである。しかしたとえa-Siプロセスが、かなり十分に確立され、かつ制御可能であるとしても、より高い画素密度、より高速な応答、及びより明るいディスプレイについての新たに出現した要求を答えるという点では、a-Siプロセスが限界に近づいていることは明らかである。
【０００９】
今日、LTPSは典型的には、より小さくかつより高性能のディスプレイを製造することを目的としている。またLTPSトランジスタのスイッチングが本質的に高速であるため、携帯電話やPDAのビデオ機能、及びビデオレコーダのようなビデオ用途の要求は満たされる。
【００１０】
ディスプレイ製造者らはまた、有機発光ダイオード技術の出現に対して早めに手を打つ必要もある。OLED技術は、2007年に始まることが予想される急激な成長によってディスプレイ市場の重要分野となるだろう。OLED装置の中には、すでに特殊用途に備えられているものもある。特殊用途とはたとえば、自動車の装備やデジタルカメラに用いられる小スクリーンで高輝度のディスプレイである。複数の会社は、大型スクリーンのOLEDディスプレイを製造する意志を表明している。そしてその大型スクリーンのOLEDディスプレイは、製品化されるときには、ディスプレイの輝度及び色が差異化を図る重要な要素となる用途で大きな市場シェアを得るとも表明している。
【００１１】
OLEDベースのディスプレイでは、分子構造は、バックライト光源用の光バルブとして機能するのではなく実際に発光するので、より明るいスクリーンの実現が可能となる。OLEDの発光材料はLCDのような電圧駆動ではなく電流駆動なので、多結晶シリコンのより高速な電子移動度及びより安定な電流容量は、OLEDの実装を可能にする上でカギとなる。OLEDの発光を本質的に高くすることで、画素を小さくしながら同一の輝度を生成するような設計が可能となる。それにより、より高い解像度が可能となる。従ってOLEDディスプレイの実装は、多結晶シリコンによって実現される幾何学形態よりもはるかに小さなものと適合する。
【００１２】
さらに進むと、ディスプレイ製造者らは、今日の多様で急成長しているLCDの要求を満たす多結晶シリコンの製造を、より高速の処理及びより高い歩留まり容量で行うことのできるパネル製造技術を備える必要がある。その一方で、たとえばOLED市場の増大といった将来に対する基礎を築く必要がある。LCD又はOLED製造手法は3つの領域に焦点を当てることができる。その3つの領域とは、高性能TFTの製造、パネル全体にわたって均一な材料と素子を得ること、及び高処理能力と低動作コストを組み合わせることによる製造効率の最適化である。
【００１３】
最も広く用いられるLTPS製造技術は、レーザーを用いてシリコン膜を溶融する表面処理、及び、非常に短い期間-一般的にはナノ秒-そのシリコン膜を融点にまで加熱し、その後そのSi膜を多結晶シリコンにする処理を含む。LTPS技術における主な課題には、高いレベルでプロセス処理能力を持続させ、かつ低動作コストを供しながら、パネル全体にわたる均一な結晶化を保証するようにプロセスを有効に制御することが含まれる。
【００１４】
通常は、2つのプロセスのうちの1つが、LTPSプロセスでのシリコン溶融に用いられる。その2つのプロセスとは、エキシマレーザーアニーリング(ELA)又は連続横方向固化(SLS)である。そのプロセスの生産性の低さ、及び動作費用の高さが障害となって、ELAは広く採用されていない。ELAの処理能力は本質的に低い。1つのスポットを処理するのに50-100のレーザーパルスが必要となる。300Wのレーザーを用いることによって、現在製造されているELAシステムの処理能力は、Gen4では1時間あたり約10パネルで、Gen5では1時間あたりわずか5-6パネルである。
【００１５】
性能及び歩留まりの観点から、ELAプロセスは他に重大な制約を有する。ELAプロセスは、部分溶融の原理に基づいている。ELAプロセスでは、下部へ向かって一部の材料が固体状態のまま残り、かつ垂直方向に結晶化する“種”として機能する。このプロセスは、グレインサイズのばらつきを大きくすることで知られ、かつこのプロセスが有するプロセスウインドウは小さい。それに加えて電子の移動度は、グレインサイズが小さいために相対的に低い。よってELAプロセスはシステム・オン・ガラス(SOG)又はOLEDの要求を満たすのに困難を伴う。
【００１６】
SLSシステムは、生産性、コスト、及び歩留まりをある程度改善する。SLSは横方向成長に基づく。ここで結晶化は溶融シリコンの端部から水平方向に進む。それにより、電子移動度が改善される、より大きな結晶グレインが生成される。標準的なSLS技術では、マスクは、各レーザー“ショット”につき、約4mm×15mmの領域を露光するのに用いられ、かつ、基板は、ガラス全体にわたって小さな露光領域を段階的に動かすことによって処理される。
【００１７】
300Wのエキシマレーザーを用いることによって、SLSシステムは、1時間あたり、Gen4であれば18枚のパネルを処理することが可能で、Gen5であれば10枚のパネルを処理することが可能である。しかしSLSマスクが、“段階的に動く”ことにより、複数の経路でパネルをカバーするので、レーザーエネルギーのショット間でのばらつきが、パネル全体でのpoly-Siのばらつきを生じさせる恐れがある。段階的に動くことで、ステップ間での重なりによる境界線が生じてしまう恐れもある。この境界線はディスプレイ上で視認できる。さらに標準的なSLS技術の意図しないアーティファクトは、シリコンの固化中に形成される大きな垂直の突起物である。SLSのアニーリング後に現れる突起物のパターンのため、均一なゲート誘電層の堆積が難しくなる恐れがある。それにより、パネル全体にわたるTFTの性能は不均一となってしまう。
【特許文献１】米国特許出願第10/781251号明細書
【特許文献２】米国特許出願第10/884101号明細書
【特許文献３】米国特許出願第10/884547号明細書
【特許文献４】米国特許出願第11/201877号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
急激に変化する市場の要求に応えるため、将来のディスプレイは明るい必要がある。さらには、色数が多く、色は鮮やかで、ビデオ能力は高速で、視野角は広く、屋内でも屋外でも同じように働き、耐久性を有し、かつ全部において低コストである必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
ガラス基板上のシリコン層をアニーリングするように備えられた薄型ビームを導光する結晶化システムは、一端に強度ピークを有する特殊な短軸レーザービームプロファイルを用いる。当該システムは、シリコン層の一部を溶融することで横方向結晶成長を生じさせるように備えられている。あるパルスステップサイズだけ基板又はレーザーを進め、かつ、前記レーザーからの連続する“ショット”を前記シリコン層へ照射することによって、前記シリコン層の全体は、溶融及び結晶成長の繰り返しを経て結晶化する。各ショットの結果生じる前記横方向結晶成長は、溶融領域の中心に突起部を生成する。この突起部は再溶融されなければならない。従って前記ステップサイズは、前記突起部の溶融が保証されるように、連続するショット間、つまり前記溶融領域間で十分な重なりが存在するようなサイズでなければならない。このため、前記ステップサイズは、任意の単一レーザーパルスからの横方向成長距離未満であることが必要である。横方向結晶成長に等しいステップサイズは、理論上の最大ステップサイズである。ステップサイズが小さくなれば処理能力が低下し、かつコストが増大する。本明細書に記載されたシステム及び方法に従って用いられた前記特殊な短軸レーザービームプロファイルは、前記突起部の溶融を保証しながら前記ステップサイズを増大させ、それにより処理能力を向上させてコストを減少させる。
【００２０】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び実施例は、以降の「発明を実施するための最良の形態」にて説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
薄型ビームの導光による結晶化、すなわちTDX製造法は、多結晶シリコン固有の利点と効率的に体積を重視する製造能力とを結合させることができる。最終結果は、優れた電子移動度、平坦な表面幾何学形状、広いプロセスウインドウ、及び優れた処理能力である。様々な型のレーザーが、薄型ビームの導光による結晶化に用いられて良い。たとえば一の実施例では、固体レーザーが用いられて良い。他の実施例では、高出力エキシマレーザーがTDXプロセスにおいて用いられて良い。本来は半導体のマイクロリソグラフィ用に開発された主振動子出力増幅装置(MOPA)構成が用いられても良い。レーザーは351ナノメートルで動作して良く、かつ特別なパルス間安定性と高信頼性を有して900ワット超の出力を供することができる。たとえば308ナノメートルのような他の波長が用いられても良い。一般的には溶融すべき材料-たとえばシリコン-によって強く吸収されるのであれば如何なる波長が用いられても良い。TDXシステムは、特許文献1乃至4に記載されている。
【００２２】
本明細書に記載されたシステム及び方法と併用されるTDX光学系は、レーザー光を非常に長くて薄型の均一なビームに変換し、その変換されたビームをシリコン基板へ供給して良い。それに加えてTDX光学系は、ビームのエネルギー、密度、及び位置を安定化させるように備えられていて良い。ビームのエネルギー、密度、及び位置はすべて、TDXプロセスの一貫性を改善して良い。一の実施例では、各パルスは、約5μm幅で720mm高さの領域を露光して良い。ビームの長さは基板の幅と一致して良い。それによりガラスは単一プロセス経路にて処理される。このことは、均一性が高くなり、かつ高速な処理能力の保証を助けることができる。露光中、パネルは一定速度で走査されて良く、かつレーザーはあるピッチ、すなわちたとえば2μmのステップサイズで照射される。溶融領域が常にそれまでのパルスの高品質結晶から種を生成するように、そのピッチは選ばれて良い。それにより長くて指向性を有する多結晶シリコンの結晶が生成される。各パルスはまた、それまでの溶融領域の中心で大きな隆起部すなわち突起部をも溶融する。その結果表面はより平坦となる。
【００２３】
TDXプロセスは、制御された超横方向成長の方式に基づく。超横方向成長では、溶融領域は端部から中心に向かうように横方向に再固化する。結晶成長がシリコン層内部から垂直方向に進むELAとは対照的に、横方向成長は、高い電子移動度を有する大きな指向性多結晶シリコンを生成する。TDXプロセスはELAよりもはるかに広いプロセスウインドウを有する。その理由は、TDXプロセスは、シリコン膜の空間的に制御される完全な溶融に依拠し、かつエネルギー感受性である部分的な膜の溶融を回避するためである。
【００２４】
システム・オン・ガラス(SOG)設計法の使用は、多結晶シリコンによってのみ可能で、かつLTPSプロセス効率においては新たなTDXプロセスの進歩による利益を享受するもう一つの発展分野である。LTPSによって実現可能な高電子移動度及び小さなサイズのトランジスタにより、駆動電子機器を薄いSiコーティングへ直接作製することが可能となる。これにより、パネルのコストを減少させる強力な方法が供され、かつつまみを接合する必要性を減少させることによってパネルの強度が改善される。多結晶シリコンの電子移動度が顕著に大きくなることで、駆動電子機器をさらに集積することが可能となる。さらなる集積とはたとえば、基板上へのデジタル-アナログ変換器(DAC)の集積、及び、たとえばより多くのTFTスイッチを制御するためにより高速のドライバを用いることによる、ドライバ数の減少などである。
【００２５】
SOGによる全体のコスト節約は、特に多くの小さなLCDスクリーンで構成される大きなパネルを処理するのに非常に劇的となりうる。各スクリーンについて別個のつまみで結合した駆動電子機器によって従来のa-Si法を用いると、駆動チップは、高価な追加寄せ集め工程のみならずスクリーンあたりにつき相当な割合のコストを含むものと思われる。比較のため、多結晶シリコンによるSOGでは、背面製造プロセス中に駆動電子機器を効率的に製造することが可能となる。
【００２６】
この点を考慮すると、図1は、本明細書に記載されたシステム及び方法に係る一の実施例に従った、薄型ビームの導光による結晶化プロセスでの単一パルス照射後の膜表面102の一の典型的断面を表す図である。膜表面102はたとえばアモルファスシリコンであって良い。薄型ビーム照射は、レーザーを用いて表面102の一部を溶融する。その溶融部分は一般的に側部の内側から溶融領域の中央部へ向かって冷却すなわち固化する。それにより2つの横方向に固化した領域104と106が残される。この理由は、シリコン膜102の各未照射端部が、溶融シリコンが成長可能な“種”として機能するからである。
【００２７】
突起部108は照射表面（付近）の凝固点に存在することができる。突起部108は、2つの端部が互いに接近するように成長するときに生じることができる。2つの端部が共に成長する中心（付近）では、各端部が溶融領域の対向する側部から“種”を形成するため、結晶化した構造は一般的に一致せず、かつ、一般的にはこれらの側部は相互に一致しない。一致しない構造が一緒になる位置では、結晶は互いに入り込み、そして表面から押し上げられる。これらの突起部108は膜の厚さのオーダーであると考えられる。膜の厚さは一般的に約50-100nmであるが、他の膜厚をとることもできる。
【００２８】
突起部108は、均一に結晶化した表面の構造を壊してしまう。さらに上述したように、アニーリング後に現れる突起部108のパターンもまた、均一なゲート誘電体膜の成膜を困難にする恐れがある。それによりパネル全体にわたるTFTの性能が不均一となってしまう。突起部108を除去するため、突起部108は次のレーザーショットで再溶融される。
【００２９】
たとえば膜表面102は、次のショットであるレーザーの照射中にある特定のステップサイズだけ移動して良い。しかしそのステップサイズは、突起部108の溶融が保証されるように、突起部108へ十分なレーザーエネルギーが付与されることを保証するように設定されなければならない。従って、各突起部108を再溶融する必要があるため、実現可能な最大ステップサイズは制約を受ける。レーザーが突起部108を再溶融するため、理論上の最大ステップサイズは横方向成長距離110に等しい。図1の例では、横方向成長距離は溶融領域の幅の約半分に等しい。従って、利用可能でかつ突起部108の溶融を保証する理論上の最大ステップサイズは、横方向成長距離から突起部108の幅を除した値にほぼ等しい。
【００３０】
しかし一般的には、ステップサイズは理論上の最大値未満に保持されなければならない。たとえばそのサイズは、レーザーパルス幅が約5μmの場合であれば数百nmである。実際のステップサイズは理論上の最大ステップサイズ未満である。その理由は、突起部108を再溶融するのに、より大きなエネルギーが必要となるからである。これは、突起部108が膜表面102の他の部分よりも厚いためである。それに加えて、突起部108はレーザー光を散乱してしまう恐れがある。従って、突起部108を溶融する際には、突起部108の厚さのためだけではなく、突起部108によって散乱されるレーザーエネルギーを補償するためにも、より多くのエネルギーが必要となる。
【００３１】
図4は照射中における入射光子の典型的な散乱を表す図である。入射光子408が表面102を照射することで、入射光子の一部402が突起部108に散乱される。よって突起部108を溶融するのにより多くのエネルギーが必要となる。上述したように、この散乱及び突起部108の余分な厚さによって、実現可能なステップサイズは低下し、かつLCDの処理時間は増大してしまう恐れがある。なぜなら突起部108を溶融するのにより多くのエネルギーが必要となるからである。従って、突起部108の位置により多くのエネルギーを導光する短軸の空間強度プロファイルが、ステップサイズ304を最大化するのに用いられて良い。
【００３２】
レーザービーム幅は、図2に図示されているような核化したグレイン204の形成を防止するように制御されなければならないことに留意すべきである。側部が成長して一緒になる前に中心部が冷却されるときに、核化したグレインは発生する。側部が成長して一緒になる前に中心が冷却されるとき、一般的に中心の構造は、いずれの側部の結晶構造とも一致しない。なぜなら中心の構造は、いずれの側部からも外れるようには“種”を生成しないからである。むしろ側部が成長して一緒になるよりも速く中心部が冷却される場合、その中心部は内部で垂直方向に成長する。これは、溶融領域が広すぎる場合、つまりレーザービーム幅が広すぎる場合に生じると考えられる。溶融領域が広すぎる場合、側部は、中心部が固化する前に成長して一緒になることができない。
【００３３】
ビームが広すぎる場合、横方向に成長した領域206と208が中心へ向かって成長し、かつ、2つの突起部210と212が発生する。突起部210と212は、端部が核化領域204へ入り込むように成長するときに生じる。横方向成長した領域206と208の各々の結晶化した構造は一般的に、核化した領域204と一致しない。その理由は、各端部は、溶融領域の対向する側部から“種”を生成するからである。一致しない構造が一緒になる位置では、結晶は互いに押し込み、かつ表面から押し上げる。上述したように、膜表面102が固化するときに形成されるLCDの結晶化した構造は均一であることが一般的には好ましい。突起部210と212は表面の均一に結晶化した構造を壊してしまう。従って、核化した領域204が生じないようにビーム幅を制限することは有利になると考えられる。たとえば一の実施例では、ビーム幅は約5μmである。しかしビーム幅は特定の実施例に依存することに留意して欲しい。核化が生じる前に各側部が成長して一緒になる限り、微小グレインの核化した領域204は発生しない。
【００３４】
上述したように、膜表面102は、突起部108を溶融するビームの直下で移動、すなわち段階的に動かされて良い。たとえば表面102は、パルス幅の半分未満だけしか左へ移動させなくて良い。よって突起部108は、横方向に固化する領域104、横方向に固化する領域106のすべて、及び未照射アモルファスSi114の一部と共に再溶融されて良い。横方向に固化した領域が左から右へ成長することで、横方向に固化した領域104から種が生成される。それにより、横方向に固化した領域が中心部で一緒になるまで、横方向に固化した領域104の結晶構造が持続する。このことは図3から分かるだろう。
【００３５】
図3は、図1の膜表面の第2照射中における断面でのビーム位置を表す図である。第1照射中でのビーム位置は位置302に示されている。上述したように、膜表面102は、表面102の次の位置を溶融するビームの直下で動かされて良い。たとえば表面102は、パルス幅の半分未満であって良いステップ距離304だけ左に動かされて良い。よってビームは、第2ショット中は位置306に存在する。そのビームは入射光子308によって表面102を照射する。光子308は、横方向に固化する領域104のわずかな一部310、横方向に固化する領域106のすべて、及び未照射アモルファスSi114の一部と共に、突起部108を再溶融することができる。新たな横方向成長領域が左から右へ成長することで、横方向成長領域104から種が生成される。それにより、横方向に固化した領域が中心部で一緒になって新たな突起部が形成されるまで、横方向に固化した領域104の結晶構造が持続する。この新たな突起部はほぼ位置314に形成される。
【００３６】
図6は”n”パルス後のビームの典型的位置602を表す図である。膜表面102は一定の速度で移動して良い。各パルスは、膜表面102が一の公称ステップサイズ604を移動する度に発せられて良い。明らかなように、レーザーが表面102に沿って移動することで、連続する横方向成長領域604は生成される。各横方向成長領域はビーム幅602の約半分である。上述したように、公称ステップサイズ604は一般的には理論上の最大ステップサイズ未満であり、かつ、実際のステップサイズは突起部108付近で最大強度ピークを有することで最大化されて良い。
【００３７】
図3を参照すると、ステップ距離304は理論上の最大値未満であって良い。その理由は、突起部108を再溶融するのにより多くのエネルギーが必要になるため、かつ、光が突起部108によって散乱されるためである。処理は、各部分が冷却される際にのみ進行しても良い。小さなステップは、処理時間を増大させ、かつ以前に溶融していた領域の再溶融という無駄を生じさせる恐れがある。横方向固化領域104のわずかな一部310は、ビームからの光子308によって再溶融される。明らかなように、わずかな部分310が大きくなればなるほど、一般的には膜表面102を処理するのにより長い時間が必要となる。従って、わずかな一部310を最小にすることができる場合、つまりより大きなステップサイズの実現が可能な場合、一般的に製造速度を向上させることができる。それにより、処理時間が迅速となり、かつ、製造容積が大きくなる。
【００３８】
図5A-5Cは、より多くのエネルギーを突起部108の位置へ導光するのに用いることのできる典型的な短軸の空間強度プロファイルを表す図である。図5Aは上部が帽子状のプロファイルを図示している。一般的には、たとえば図5Aに図示されているような急峻な側部を有する上部が帽子状のプロファイルが好ましい。その理由は、表面102へ付与されるエネルギーがより均一になるからである。しかし上述したように、ステップサイズを増大させるため、突起部108により多くのエネルギーを導光することも好適であると考えられる。たとえば図5Aに図示されているような急峻な側部を有する上部が帽子状のプロファイルによってビームのエネルギー密度を上昇させることによって、より多くのエネルギーが突起部108へ導光されても良い。しかし一般的には、上部が帽子状のプロファイルによってビームのエネルギー密度を単純に上昇させるのは十分ではない。その理由は、そのようにビームのエネルギー密度が上昇することで最終的には、アモルファスSi膜に入射するビームの側部に膜の損傷又は塊が発生するからである。
【００３９】
ビームの強度プロファイルを膜の必要な融点に大雑把に関連づけるレーザービームの短軸プロファイルが一般的には好ましい。そのプロファイルは、損傷の閾値を超えることなく、パルスステップ距離あたりで最大値を可能にするように調節されて良い。図5B及び5Cは、突起部108の位置と関連づけられるビームの端部で発生する強度ピークを有する2つの短軸プロファイルを図示している。たとえば、特許文献3の図8及び9に図示されたビーム供給及びビーム処理システムが、短軸の空間強度プロファイルの操作に用いられて良い。
【００４０】
図7は、図5bに図示されたプロファイルに類似する、短軸の空間強度プロファイルを有するビーム712を使用する様子を表す図である。上述したように、ビームの強度プロファイルを膜の必要な融点に大雑把に関連づけるレーザービームの短軸プロファイルが一般的には好ましい。図7から分かるように、強度は突起部108で最大となる。このようにして、上述の厚さと散乱の増大による、突起部108の溶融に必要となる付加的エネルギーを供するように、より多くのエネルギーが供給されて良い。短軸プロファイルの左手側にはより多くのエネルギーが含まれているので、ステップサイズ704を増大させることが可能である。それにより、ステップサイズは理論上の最大値に接近するが、依然として突起部108の適切な溶融を保証する。
【００４１】
換言すると、たとえば図5Bや5Cに図示されたような短軸の空間強度プロファイルを用いることによって、部分310を減少させることが可能で、かつ、ステップサイズを増大させることが可能である。サイズの増大は実施形態に依存するが、突起部108の位置でのビーム強度が増大するため、ステップサイズは理論上の最大値へ近づけることが可能であることに留意して欲しい。ステップサイズはたとえば、総計したビーム幅については最大で数百ナノメートルにまで増大して良い。
【００４２】
図8は、本明細書に記載された方法及びシステムに係る一の実施例に従った液晶ディスプレイを製造するための典型的な表面処理システム800である。上述の薄型ビームを導光する結晶化は、横方向結晶成長の利点と、高処理能力、改善された多結晶シリコンの均一性、及びシリコン膜の溶融に必要なエネルギーへの短軸の空間強度プロファイルの調節とを結合させる。標準的なELAプロセスとは対照的に、薄型ビームを導光する結晶化プロセスは処理能力を向上させながらも、より均一な材料を生成する。
【００４３】
特別に設計されたレーザー802とビーム形成光学系804を用いることによって、基板809が長い薄型ビーム808によって露光されて良い。ビーム形成光学系804は、たとえば図5Aと5Bで述べたような、短軸の空間レーザービームプロファイルを生成して良い。一の実施例では、長い薄型ビーム808は、幅5μmで長さが最大730mmであって良い。このビーム構成は、単一レーザーパルス中に、ガラス基板809の幅を完全に網羅することを可能にする。5μm幅の領域は完全に溶融していると考えられるので、シリコンは横方向成長の結晶化によって固化する。その結果、多結晶シリコンの移動度が高くなる。基板809の全体を処理するため、ガラスは、一本の経路で結晶化が起こるように、ビーム808の付近で走査されて良い。ガラスは一定速度で移動して良い。レーザーは、約2μmの遷移後に照射されて良い。新たな“ストライプ”の各々が過去のストライプと重なることによって、新たなストライプが、過去のストライプのうちの良好な多結晶Siから“種”を生成して良い。システムは、基板809全体にわたって、長く均一な結晶グレインの連続的な成長を実現することができる。
【００４４】
上述の短軸の空間強度プロファイルによって薄型ビームを導光する結晶化は、ELAよりもはるかに効率的であると考えられる。短軸の空間強度プロファイルによって薄型ビームを導光する結晶化では、各領域の露光に用いられるパルスは、ELAの20-40パルスと比較して、はるかに少ない。これにより、はるかに高いパネル処理能力を供することができる。それに加えてプロセスウインドウはELAよりもはるかに広くすることができる。なぜなら、短軸の空間強度プロファイルによって薄型ビームを導光する結晶化は部分溶融に依拠しない。そのため歩留まりの向上を助けることができる。パネル全体が一本のビーム路で露光できるので、上述の短軸の空間強度プロファイルによって薄型ビームを導光する結晶化は、たとえばSLSやELAのような複数本のビーム路による露光技術で見られる重なり領域によって生じる不均一性を回避することができる。
【００４５】
薄型ビームを導光する結晶化の実装には、たとえば3つの主要な構成要素が含まれて良い。それは、レーザー802、ビーム形成光学系804、及び台810である。一の実施例では、長いビームと高い走査速度を支持するため、出力、パルス周波数、及びパルスエネルギーが注意深く選択される特別に設計された高出力レーザー802が用いられて良い。このレーザー802はたとえば、高処理能力を保証するため、現状のELAレーザー出力のほぼ倍である900Wの出力を供して良い。一の実施例では、要求のある半導体リソグラフィ用途向けに独自に設計されたレーザー802が、基板全体にわたる多結晶SiとTFTの性能の良好な均一性を保証するのに用いられて良い。
【００４６】
一の実施例では、ステッパ又は並進装置を用いることによって、台810は長い細型ビーム808の照射下で動かされて良い。このようにして、ビーム808の照射下にあるパネル809の一部は、パネル809の様々な部分が処理できるように制御されて良い。一の実施例では、パネル809はアモルファスシリコンでコーティングされたガラスパネルであって良い。よってビーム808は、パネル809上のシリコン膜の溶融に用いられて良い。
【００４７】
最適なビーム形状を形成するために光学系が開発された。一の実施例では、最適ビーム形状は、基板の幅全体を網羅するのに十分な長さであり、かつ結晶化プロセスを最適化するのに十分な狭さであって良い。光学系に含まれる投影光学系の設計には特別な配慮が必要になると考えられる。特別な配慮とは、高出力の負荷がかかる状況下で熱的安定性と制御された焦点深度(DOF)を供すること、及び光学系の寿命を最大にすること、である。
【００４８】
一の実施例では、走査方向での迅速な運動を保証するため、レーザーは高繰り返しレート-たとえば6kHz-で動作しなければならず、かつ、台の速度は、たとえば約2μmピッチに対して12mm/secであって良い。基板は一本のビーム路で露光されて良い。このため、Gen4基板の露光には、約150mJ/パルスが必要となる。一の実施例では、6kHzで900Wの薄型ビーム結晶化システムは、Gen4パネル全体を75秒程度で処理することができる。
【００４９】
本明細書に記載されたシステム及び方法に従って用いることのできる表面処理システム800の典型的実施例についてのさらなる詳細な説明は、特許文献1乃至4に記載されている。
【００５０】
上では本発明の特定実施例が記載されているとはいえ、上の実施例は例示目的でしかないことに留意して欲しい。従って本発明は、記載された実施例に限定されてはならない。むしろ本明細書に記載された発明の技術的範囲は、「特許請求の範囲」に記載された請求項によってしか限定されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】単一パルス照射後の膜表面の一の典型的断面を表す図である。
【図２】単一パルス照射後の膜表面の他の典型的断面を表す図である。
【図３】図1の膜表面の断面の第2照射中におけるビームの典型的な位置を表す図である。
【図４】図3に図示された第2照射中における入射光子の典型的な散乱を表す図である。
【図５】A-Cは、典型的な短軸の空間強度プロファイルを表す図である。
【図６】”n”パルス後のビームの典型的な位置を表す図である。
【図７】ビームの空間強度及び”n+1”パルス後のビームの典型的な位置を表す図である。
【図８】液晶ディスプレイを製造する典型的装置である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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