(57)【要約】本開示は、劇的に増大した効果的な結晶化速度で大規模ディスプレイ用のＳｉ膜を結晶化することができる新しい世代のレーザ結晶化方式に関する。本開示のこの態様に提示する特定の方式は、改良型エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）法と呼ばれ、それは、様々な利用可能で、立証された技術的構成要素を用いる大型ＯＬＥＤＴＶを製造するように容易に構成することができる。ＥＬＡの場合のように、それは、主に、部分的／ほぼ完全融解レジームベースの結晶化方式であるが、最終的には、同じレーザ源を利用する従来のＥＬＡ技法よりも１桁を超える実効結晶化速度の増加を達成することができるものである。【選択図】  図１４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜結晶方法であって、
複数のデバイス形成領域を有する薄膜を提供することと、
均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成するとともに、前記薄膜を第１の方向に連続的に平行移動させ、前記ラインビームの前記均一な部分で第１のデバイス形成領域を照射することと、
前記ラインビームの前記均一な部分で、前記第１のデバイス形成領域と異なる第２のデバイス形成領域を照射することと、
を含むことを特徴とする薄膜結晶方法。
【請求項２】
前記第１のデバイス形成領域が、前記第２のデバイス形成領域と重なっていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜結晶方法。
【請求項３】
一連のデバイス形成領域を、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射されるまで、連続的に照射することを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜結晶方法。
【請求項４】
各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後、一連のデバイス形成領域を照射しながら、前記第１の方向とは逆の第２の方向に前記薄膜を連続的に平行移動させることを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項５】
各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後、前記薄膜を開始位置に平行移動して戻し、かつ前記薄膜を連続的に前記第１の方向に平行移動させて、一連のデバイス形成領域を照射することを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項６】
各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後、前記薄膜を前記第１の方向と直交する方向にシフトさせることを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項７】
各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後、前記薄膜を前記第１の方向と平行な方向にシフトさせることを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項８】
各々のデバイス形成領域を少なくとも２回照射することを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項９】
各々のデバイス形成領域を少なくとも４回照射することを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１０】
各々のデバイス形成領域を少なくとも６回照射することを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１１】
前記デバイス形成領域は、画素が形成される領域を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１２】
前記デバイス形成領域は、薄膜トランジスタが形成される領域を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１３】
前記デバイス形成領域は、コンデンサが形成される領域を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１４】
前記第１のデバイス形成領域に隣接するコンデンサ領域にコンデンサを形成することを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１５】
前記デバイス形成領域は、一列の薄膜トランジスタが形成される領域を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１６】
前記デバイス形成領域は、複数列のデバイスが形成される領域を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１７】
前記デバイス形成領域は、第１列のデバイス部分および第２列のデバイス部分を含み、第１列のデバイス部分は、第２列のデバイス部分に近接していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１８】
前記デバイス形成領域は、第１列の画素の中の領域と、第２列の画素の中の領域とを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項１９】
前記ラインビームが、前記薄膜を部分的に融解するのに十分なフルエンスを有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項２０】
前記ラインビームが、前記薄膜を完全に融解するのに十分なフルエンスを有することを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項２１】
前記ラインビームが、前記薄膜をほぼ完全に融解するのに十分なフルエンスを有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項２２】
前記ラインビームは、部分融解のしきい値未満であるが、前記薄膜の構造を改変するのに十分なフルエンスを有することを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項２３】
前記薄膜が半導体膜を含むことを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項２４】
薄膜結晶システムであって、
均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成する光学系と、
コンピュータ制御式ステージと、
を含み、
前記コンピュータ制御式ステージは、複数のデバイス形成領域を有する薄膜を保持し、かつ、前記ラインビームが、第１のデバイス形成領域を前記ラインビームの前記均一な部分で照射し、前記第１のデバイス形成領域と異なる第２のデバイス形成領域を前記ラインビームの前記均一な部分で照射することを可能にするため、前記コンピュータ制御式ステージを第１の方向に連続的に平行移動させるようにプログラムされていること
を特徴とする薄膜結晶システム。
【請求項２５】
薄膜であって、
デバイスを形成するための複数の領域を有し、各々の領域が、第１の結晶化部分および第２の結晶化部分を含み、前記第１および第２の結晶化部分の双方が、均一で等方性の結晶粒子を含み、前記第１の結晶化部分が、前記第２の結晶化部分よりも大きい結晶粒子を有することを特徴とする薄膜。
【請求項２６】
前記複数の領域が、少なくとも第１列のデバイス形成用領域および第２列のデバイス形成用領域を含むことを特徴とする請求項１〜２５のいずれかに記載の薄膜。
【請求項２７】
第１列の第１結晶化部分が、第２列の第１結晶化部分に近接して位置することを特徴とする請求項１〜２６のいずれかに記載の薄膜。
【請求項２８】
第１列の第２結晶化部分が、第２列の第２結晶化部分に近接して位置することを特徴とする請求項１〜２７のいずれかに記載の薄膜。
【請求項２９】
薄膜結晶方法であって、
複数の列に配置された複数のデバイス形成領域を有する薄膜を提供することと、
均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成するとともに、前記薄膜を第１の方向に連続的に平行移動させ、第１のビームパルス数を持つ前記ラインビームの前記均一な部分で、第１列のデバイス形成領域を照射することと、
第２のビームパルス数を持つ前記ラインビームの前記均一な部分で、第２列のデバイス形成領域を照射することと、
第２のビームパルス数を持つ前記ラインビームの前記均一な部分で、第３列のデバイス形成領域を照射することと、
を含み、
前記第１列が前記第２列に近接し、第３列が前記第２列から離間されていることを特徴とする薄膜結晶方法。
【請求項３０】
第１のビームパルス数が第２のビームパルス数よりも大きいことを特徴とする請求項１〜２９のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【請求項３１】
第２のビームパルス数が第１のビームパルス数よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３０のいずれかに記載の薄膜結晶方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１２年１２月６日に出願された米国特許出願第１３／５０５，９６１号の一部継続出願であり、米国特許法第１２０条に基づく利益を主張し、米国特許出願第１３／５０５，９６１号は、２０１０年１１月２日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／５５１０６号の米国特許法第３７１条に基づく出願であり、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／５５１０６号は、２０１０年１月１２日に出願された米国仮出願第６１／２９４，２８８号、２００９年１２月３１日に出願された米国仮出願第６１／２９１，６６３号、２００９年１２月３１日に出願された米国仮出願第６１／２９１，４８８号、２００９年１２月１５日に出願された米国仮出願第６１／２８６，６４３号、２００９年１１月２４日に出願された米国仮出願第６１／２６４，０８２号、２００９年１１月３日に出願された米国仮出願第６１／２５７，６５７号、および２００９年１１月３日に出願された米国仮出願第６１／２５７，６５０号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものである。それらの内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願はまた、２０１０年５月１０日に出願された米国特許出願第１２／７７６，７５６号の一部継続出願でもあり、米国特許出願第１２／７７６，７５６号は、２０１０年１月１２日に出願された米国仮出願第６１／２９４，２８８号および２００９年１２月３１日に出願された米国仮出願第６１／２９１，６６３号に対する特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張する。
本出願はまた、２０１２年８月２３日に出願された米国仮出願第６１／６９２，３１６号、２０１２年７月２０日に出願された米国仮出願第６１／６７４，０１７号、２０１２年６月１４日に出願された米国仮出願第６１／６５９，５１７号、および２０１２年５月１４日に出願された米国仮出願第６１／６４６，４８０号に対する特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものであり、それらの内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
半導体処理の分野において、薄い非結晶質のシリコン膜を多結晶膜に変換する多くの技法が記載されている。そのような技法のひとつに、エキシマレーザアニーリング（「ＥＬＡ」）がある。ＥＬＡは、これには限られないが、熱に耐えられない基板（例えば、ガラスおよびプラスチック）などの基板上に均一な結晶粒子を有する多結晶膜を生成することができるパルスレーザ結晶化プロセスである。ＥＬＡのシステムおよびプロセスの例は、共同所有の２００９年８月２０日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｒｅａｔｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ−Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｌｍｓ」という題名の米国特許公開第２００９０３０９１０４号、２００９年９月９日に出願された「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎ  ｏｎ  ａ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｔｏ  Ｍｉｎｉｍｉｚｅ  Ｅｄｇｅ  Ａｒｅａｓ，  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｓｕｃｈ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名の米国特許公開第２０１０００６５８５３号、および２００６年３月９日に出願された「Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｕｔｌｉｚｉｎｇ  ａ  Ｌｉｎｅ−Ｔｙｐｅ  Ｂｅａｍ，  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  Ｓｕｃｈ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名の米国特許公開第２００７００１０１０４号に記載されている。
【０００３】
従来のＥＬＡツールは、１回の走査で単位面積当たり多数のパルスを達成するために、パルス間に大きい重なり（例えば、９５％）をもって、サンプルの表面上を低速度で連続的に走査する単一のラインビームを用いる。したがって、ＥＬＡでは、膜の一領域がエキシマレーザで照射されて、膜が部分的に融解し、これが次に結晶化する。膜の部分的融解の繰り返しによって、小粒子の結晶膜の形成に導くことができるるが、しかしながら、この方法はしばしば、微細構造の不均一性という問題があり、これは、パルスごとのエネルギーのばらつきおよび／または不均一なビーム強度プロフィールによって惹起されかねない。より均一な粒子サイズをもたらす蓄積効果を誘導するだけでなく短軸ビームエッジ効果を軽減するためにも、多数のパルスが必要とされる。ビームのビームエッジ部分では、エネルギーは徐々にゼロにまで減少する。膜中の位置次第では、初期パルスエネルギーシーケンスにおける位置依存性の変動が、発生し得る。このような変動は、後続のＥＬＡプロセスでは容易に除去されず、結果として、画素の明度のアーチファクト（例えば、ムラ）が生じ得る。図１Ａは、ＥＬＡで得られ得るランダムな微細構造を示す。Ｓｉ膜は複数回照射されて、均一な粒子サイズを持つランダムな多結晶膜を生成する。図１Ｂに従来のＥＬＡの単一走査を図示するが、ビーム１０１が膜１０４を走査する際の、ラインビーム１０１のその短軸に沿った断面形状を示す。ビーム１０１は、矢印１０２の方向に進行するが、ビーム１０１が膜１０４を横断するにつれて、膜１０４のある領域１０３を、複数のレーザパルスによって照射することができる。
【０００４】
さらに、非常に高い処理能率で均一な粒子構造（「ＵＧＳ」）を獲得するために用いることができる結晶化の方法およびツールが報告されている。例えば、そのようなシステムが、「Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ａ  Ｌｉｎｅ−Ｔｙｐｅ  Ｂｅａｍ，  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  Ｓｕｃｈ  Ｆｉｌｍ  Ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名の米国出願公開第２００７００１０１０４号に開示されている。ＵＧＳは、結晶化途中の膜の完全融解結晶化（「ＣＭＣ」）および／または部分的融解結晶化（「ＰＭＣ」）を伴い得る単一パルス照射プロセスである。ＵＧＳプロセスのさらなる特徴は、部分的または完全な融解が画素の薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）の列／行が存在する領域にのみ発生するような、レーザパルスの位置制御式照射である。パルス間の歩進距離がラインビームの幅を超えるとき、膜の未照射領域（例えば、非結晶質の堆積されたままのＳｉ）がこのような列の間に残る。この選択エリア結晶化（「ＳＡＣ」）プロセスは、したがって、非常に高い処理能率を有することができるが、それは、単位面積当たりのパルスの平均数が１未満になり得るからである。
【０００５】
しかしながら、先行のツールのいずれも、例えば、低い画素密度を有するテレビで用いられるような非常に大きい膜用のＥＬＡ目的に対して特に良好に最適化されていない。従来のＥＬＡは、画素位置間のＳｉ基板を結晶化するために時間および資源がムダになるという点で、このような基板にとっては非効率なプロセスである。ＵＧＳツールは、これらのエリアをスキップすることを許容する一方で、獲得される材料は、一般的なＥＬＡ材料よりもかなり欠陥があり、また、材料の均一性は、一般的な照射条件が用いられるときには、十分でない場合がある。
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様では、本開示は、薄膜を結晶化する方法に関する。いくつかの実施形態では、本方法は、複数のデバイス形成領域を有する薄膜を提供することと、均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成するとともに、薄膜の半導体を第１の方向に連続的に平行移動させ、ラインビームの均一な部分で第１のデバイス形成領域を照射することと、第１のデバイス形成領域と異なる第２のデバイス形成領域をラインビームの均一な部分を照射することと、を含み得る。いくつかの実施形態では、第１のデバイス形成領域は、第２のデバイス形成領域と重なる。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射されるまで、連続するデバイス形成領域を連続的に照射することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後で、連続するデバイス形成領域を照射しながら、第１の方向とは反対の第２の方向に膜を連続的に平行移動させることを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後で、膜を開始位置に平行移動して戻し、かつ膜を連続的に第１の方向に平行移動させて、連続するデバイス形成領域を照射することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後で、第１の方向と直交する方向に膜をシフトさせることを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域が少なくとも１回照射された後で、第１の方向と平行な方向に膜をシフトさせることを含み得る。
【０００７】
いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域を少なくとも２回照射することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域を少なくとも４回照射することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、各々のデバイス形成領域を少なくとも６回照射することを含み得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、画素が形成される領域を含み得る。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、薄膜トランジスタが形成される領域を含み得る。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、コンデンサが形成される領域を含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、コンデンサを、第１のデバイス形成領域に隣接するコンデンサ領域に形成することを含み得る。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、薄膜トランジスタの列が形成される領域を含み得る。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、複数の列のデバイスが形成される領域を含み得る。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、第１列のデバイスの部分および第２列の部分を含み得るが、第１列のデバイスの部分は第２列のデバイスの部分に近接する。いくつかの実施形態では、デバイス形成領域は、第１列の画素の中の領域および第２列の画素の中の領域を含み得る。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ラインビームは、膜を部分的に融解するのに十分なフルエンスを有し得る。いくつかの実施形態では、ラインビームは、膜を完全に融解するのに十分なフルエンスを有し得る。いくつかの実施形態では、ラインビームは、膜をほぼ完全に融解するのに十分なフルエンスを有し得る。いくつかの実施形態では、ラインビームは、部分的融解のしきい値未満であるが、薄膜の構造を改変するのに十分なフルエンスを有し得る。いくつかの実施形態では、膜は半導体膜であり得る。
【００１０】
１つの態様では、本開示は、薄膜を結晶化するシステムに関する。いくつかの実施形態では、本システムは、均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成する光学系と、コンピュータ制御式ステージとを含んでいる。コンピュータ制御式ステージは、複数のデバイス形成領域を有する薄膜を保持し、かつ、ビームが、第１のデバイス形成領域をラインビームの均一な部分で照射し、第１のデバイス形成領域と異なる第２のデバイス形成領域をラインビームの均一な部分で照射するために、ステージを第１の方向に連続的に平行移動させるようにプログラムされている。
【００１１】
別の態様では、本開示は、デバイスを形成するための複数の領域を含む薄膜に関し、各々の領域は、第１の結晶化部分および第２の結晶化部分を含み、第１および第２の結晶化部分の双方が、均一で等方性の結晶粒子を含み、第１の結晶化部分が、第２の結晶化部分よりも大きい結晶粒子を有する。いくつかの実施形態では、複数の領域は、少なくとも第１列のデバイス形成用領域および第２列のデバイス形成用領域を含み得る。いくつかの実施形態では、第１列の第１の結晶化部分が、第２列の第１の結晶化部分に近接して位置し得る。いくつかの実施形態では、第１列の第２結晶化部分が、第２列の第２結晶化部分に近接して位置し得る。
【００１２】
本開示の別の態様は、薄膜を結晶化する方法に関し、当該方法は、複数の列に配置された複数のデバイス形成領域を有する薄膜を提供することと、均一な部分および２つのエッジ部分を有するラインビームを生成するとともに、薄膜の半導体を第１の方向に連続的に平行移動させ、第１列のデバイス形成領域を、第１のビームパルス数を有するラインビームの均一な部で照射することと、第２列のデバイス形成領域を、第２のビームパルス数を有するラインビームの均一な部分で照射することと、第３の列のデバイス形成領域を、第２のビームパルス数を有するラインビームの均一な部分で照射することと、を含み、第１の列は第２の列に近接し、第３の列は第２の列から離間されている。いくつかの実施形態では、ビームパルスの第１の数は、ビームパルスの第２の数を超え得る。いくつかの実施形態では、ビームパルスの第２の数は、ビームパルスの第１の数を超え得る。
【００１３】
以下の説明は、次の図面を参照すればより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】ＥＬＡで得られ得るランダムな微細構造を示す。
【図１Ｂ】従来のＥＬＡ単一走査を示す。
【図２Ａ】本開示の実施形態に関わるレーザパルスの例示のエネルギープロフィールを示す。
【図２Ｂ】本開示の実施形態に関わるレーザパルスの例示のエネルギープロフィールを示す。
【図２Ｃ】本開示の実施形態に関わるレーザパルスの例示のエネルギープロフィールを示す。
【図２Ｄ】単一ショット照射式プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）による非結晶質シリコン膜を示す。
【図３Ａ】本開示の実施形態に関わる、非周期パルスＥＬＡシステムを示す。
【図３Ｂ】本開示の実施形態に関わる、非周期パルスＥＬＡシステムで用いられるサンプルを示す。
【図４】本開示の実施形態に関わる、ビームパルスの例示のプロフィールを示す。
【図５Ａ】本開示の実施形態に関わる、非周期パルスＥＬＡプロセスを示す。
【図５Ｂ】本開示の実施形態に関わる、図５Ａの領域５９０の分解図である。
【図６】本開示の実施形態に関わる、非周期パルスＥＬＡプロセスを示す。
【図７】本開示の実施形態に関わる、図５Ａに示すような第１の非周期パルス走査を示し、また、膜の逆方向の第２の走査を含む。
【図８Ａ】本開示の実施形態に関わる、１回の照射後の膜の結晶学的構造を示す。
【図８Ｂ】本開示の実施形態に関わる、図９Ａの結晶構造の図である。
【図８Ｃ】本開示の実施形態に関わる、より高いエネルギー密度での１回の照射後であるが、依然としてＰＭＣレジームにある膜の表面の原子間力顕微鏡（「ＡＦＭ」）走査を示す。
【図８Ｄ】本開示の実施形態に関わる図８Ｃの結晶構造を示す図である。
【図８Ｅ】本開示の実施形態に関わる、未融解の種からの横方向結晶化で形成された円形領域を示す。
【図９】本開示の実施形態に関わる、薄膜の界面応答関数を示す。
【図１０Ａ】本開示の実施形態に関わる、真空中での３００ｎｍの酸化層を持つガラス基板上の１５０ｎｍのＳｉのＦＴＲおよびＢＴＲを示す。
【図１０Ｂ】本開示の実施形態に関わる、真空中での結果を示す以外は、図１０Ａに類似するものである。
【図１１Ａ】本開示の実施形態に関わる、１．３２ＣＭＴでの空気中と１．４ＣＭＴでの真空中における３００ｎｍの酸化表面層を持つ２００ｎｍのＳｉ膜のナノ秒単位の時間（ｘ軸）対正規化された反射率値（ｙ軸）のグラフを示す。
【図１１Ｂ】大気環境下で得られた微小構造の画像である。
【図１１Ｃ】真空環境下で得られた微小構造の画像である。
【図１２】本開示の実施形態に関わる、複数の画素列を有する薄膜の略図である。
【図１３】エキシマレーザアニーリング（ＥＬＡ）で処理された膜の粒子構造を示す図である。
【図１４Ａ】本開示の実施形態に関わる、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１４Ｂ】本開示の実施形態に関わる、薄膜を横切るビームの平行移動を示す略図である。
【図１４Ｃ】本開示の実施形態に関わる、差分結晶化のための、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１５】本開示の実施形態に関わる、先端的エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）で処理された膜の粒子構造を示す図である。
【図１６】本開示の実施形態に関わる、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１７Ａ】本開示の実施形態に関わる、差分結晶化のための、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１７Ｂ】本開示の実施形態に関わる、異なる結晶化の場合の、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１８Ａ】本開示の実施形態に関わる、異なる結晶化の場合の、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１８Ｂ】本開示の実施形態に関わる、異なる結晶化の場合の、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図１９】本開示の実施形態に関わる、異なる結晶化を用いた改良型エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）で処理された膜の粒子構造を示す図である。
【図２０】本開示の実施形態に関わる、差分結晶化のための、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【図２１】本開示の実施形態に関わる、例示のＡＥＬＡシステムを示す。
【図２２】本開示の実施形態に関わる、列に配置された複数の画素を有する膜に対するシルクハット形状ビームの走査を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、部分的融解結晶化および完全融解結晶化の技法と組み合わせて非周期パルスレーザ技法を用いて、均一な多結晶膜を形成するシステムおよび方法に関する。いくつかの実施形態では、非周期パルスＥＬＡを用いて、既存の結晶質を欠いた非結晶質の堆積されたままのＳｉ膜、例えば、低圧気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング、または電子ビーム蒸着法によって得られた膜から、微細な粒状の均一な結晶膜を生成する。いくつかの実施形態では、一様面照射方法を用いて、微細な粒状の均一な結晶膜を生成する、または非周期パルス照射方法のための先駆物質膜を生成することができる。一様面照射方法は、いずれの既存の結晶子も欠いた非結晶質シリコン膜（例えば、ＰＥＣＶＤ膜）が２つのステップで、膜厚を超える平均の横方向寸法を有する粒子、すなわち小さい柱状粒子を持つ微細粒状均一結晶膜に変換される２ショット部分融解プロセスであり得る。一様面照射方法はまた、いずれの既存の結晶子も欠いた非結晶質シリコン膜（例えば、ＰＥＣＶＤ膜）が、膜厚未満の平均の横方向寸法を有する粒子を持つ微細粒状均一結晶膜に変換される、拡張持続時間単一ショット部分融解プロセスであり得る。一様面照射方法はまた、膜の頂部および底部の双方で酸化物境界を有する任意の種類の非結晶質シリコン膜が低欠陥小規模等軸粒子Ｓｉ膜に変換される、完全融解プロセスであり得る。
【００１６】
非周期パルスＥＬＡ方法およびツールを、レーザの位置制御連続トリガーを用いて説明する。このシステムは、複数のレーザを用いて実施して、例えば、各々のレーザパルスの結果、個別の部分融解および凝固サイクルをもたらすという点で明確に異なり、パルス間の間隔が同じではないという点で非周期的である結晶化プロセスで明確に異なる非周期レーザパルスを生成することができる。複数のレーザを協調したパルスシーケンスで用いて、選択された膜のエリアを、一回の走査または複数回の走査で照射して結晶化する。複数回の走査は、目的とする領域でより多い数の融解および凝固のサイクルを達成して、例えば、より緊密な粒子サイズ分布を持つより均一な多結晶膜をもたらすＥＬＡで観察される複数回照射の累積効果から恩典を受けるためには望ましいものであり得る。
【００１７】
非周期的パルス化
レーザパルスの例示のシーケンスを、図２Ａ〜２Ｃに示す。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プロセスに用いることができるレーザの周期パルス繰返し数を示す。周期レーザ繰返し数の結果、時間ドメインで等間隔のレーザパルスパターンがもたらされる。図２Ｂは、第２のパルス１０５が第１のパルス１０６に対して近い時点で発せられる、本明細書で開示される非周期パルス化の例を表す。次に、第３のパルス１０７が、第１のパルス１０６と第２のパルス１０５との間の間隔とは異なる時間間隔で発せられる。図２Ｃは、レーザパルスのパルス繰返し数とレーザ出力（エネルギー密度）との双方が異なる実施形態を示す。したがって、照射された膜は、非周期パルス繰返し数および可変の照射エネルギーを経験する。第１のパルス１０６と第２のパルス１０５との間の比較的短い時間のため、第１のパルス１０６および第２のパルス１０５を照射された領域は、重なりが増す。
【００１８】
第１のパルス１０６と第２のパルス１０５との間の時間遅延は、第１のパルス１０６と第３のパルス１０７との間の時間間隔の半分未満であり得る。いくつかの実施形態では、第１のパルス１０６と第２のパルス１０５との間の時間間隔は、第１のパルス１０６と第３のパルス１０７との間の時間間隔の１／１０未満または１／２０未満または１／１００未満である。第１のパルス１０６と第２のパルス１０５との間の時間遅延は、約３マイクロ秒〜約１ミリ秒、約５マイクロ秒〜約５００マイクロ秒、および約１０マイクロ秒〜約１００マイクロ秒であり得る。
【００１９】
このように、図２Ｂおよび２Ｃは、近接して離間された２つのまたはレーザパルスの２つのレーザパルスの「一連の流れ」を用いる非周期パルスパターンを提示するが、しかしながら、より大きい数の近接離間されたパルス、例えば、３〜５以上のレーザまたはレーザ空洞に対応して３〜５以上のパルスを用い得る。異なるレーザからのより多くの数の近接離間されたパルス、例えば、２つの異なるレーザエネルギー源または同じレーザエネルギー源の２つの異なるレーザキャリアからのレーザビームを用いる実施形態では、標的とされた領域は、それに応じてより多い回数だけ照射される。例えば、ｎ個のレーザ源からのｎ個のパルスを近接に離間して、ｎ個のレーザパルスの一連の流れを形成し得、単一の領域が、単一の走査でｎ回の照射を経験する。このビームは、従来のＥＬＡプロセスと類似の幅を有し得る。
【００２０】
パルスの一連の流れ中の２つ連続したパルスは、同じエネルギー密度にある必要はない。例えば、膜が第１のパルスによって未だ熱い場合、第２のパルスは第１のパルスよりも低いエネルギー密度にあり得る。同様に、より高いエネルギー密度を用いて、第１のパルスによる光学的特性の変化を補償し得る（非結晶質シリコンは、ＵＶ光線を結晶質シリコンよりも少し良好に吸収する）。従って、第２のパルスのエネルギー密度を適切に選択することは、双方の効果およびおそらく他の効果を考慮し、これにより、膜が同じ程度に融解されるようにする。本明細書では、融解の程度は、融解の詳細とは無関係の融解の尺度であると解釈される、これは、先駆物質の相（非結晶質であるかまたは結晶質であるか）、異質性（例えば、均一に欠陥があるかまたはより大きくより清浄な粒子によって囲まれた欠陥性のコアを有しているか）、および表面の形態（平滑または粗い、例えば、光の波長に類似した周期性を有するか）の関数としてかなり変動し得る。したがって、同じ程度の融解は、第２のパルス中の融解の範囲が第１のパルスのそれに等しい、例えば膜の約８０％であるときに達成される。より均一な多結晶膜をもたらす累積効果から恩典を得ることを目的とする複数走査プロセスでは、パルスのほとんどが、プロセスが最も効果的となるように同じ融解程度を結果としてもたらすことが望ましい。
【００２１】
したがって、図２Ｃに示すように、第１のレーザパルスおよび第２のレーザパルスは、異なるエネルギー密度を有することがあり得る。具体的には、図２Ｃは、第２のパルスよりも小さいエネルギー密度を有する第１のレーザパルスを示す。しかしながら、いくつかの実施形態では、第２のレーザパルスは第１のレーザパルスよりも小さいエネルギー密度を有する。さらに、複数走査プロセスでは、第１のパルスと第２のパルスとの間のエネルギー密度のオフセットは、走査によって異なる場合があり、存在しない場合もある。例えば、一回目の走査での第１のパルスと第２のパルスとの間のエネルギー密度のオフセットは、光学的特性の変化を補償するように選択し得るが、二回目の走査では、このオフセットは温度を補償するように選択し得る。いくつかの実施形態では、２つのパルスが異なるエネルギー密度を有するが、第２のより低いエネルギーのパルスは、第１のパルスからの膜中の残留熱により、第１のより高いエネルギーのパルスと同じ量の融解を膜中で惹起させ得る。
【００２２】
一実施形態では、本システムは、複数のレーザ源からのパルスの協調したトリガーを利用することによって非周期レーザパルスを生成して（これはまた、複数のレーザ空洞、例えば管を有する単一のレーザ源を用いても可能である）、時間ドメインで近接して離間された一連のパルスを生成する。複数のレーザ源を一つのレーザシステムに組み入れることができる。レーザシステムは、コンピュータ制御技法を用いて所定の様式で基板を照射するコンピュータ制御システムであり、例えば、コンピュータが、レーザの発射ならびにステージおよび１つ以上のレーザ空洞の運動を制御して、１つ以上のレーザビームを生成する。各々のレーザビームが、１つのレーザ源に対応する。各々のレーザビームは、独立型のレーザまたは、１つのレーザシステムに含まれる複数のレーザ空洞の一部であるレーザ空洞から生成することができる。
【００２３】
２００８年４月２９日に発行された「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ」という題名の米国特許第７，３６４，９５２号で論じられているように、複数のレーザ空洞、例えば管を有するツールが、（１）複数のパルスを同時にトリガーして次いで組み合わせることによってパルスエネルギーを増大させることおよび（２）さまざまな管のトリガーを遅延させ、次いでそれらを組み合わせることによってパルス持続時間を増加させることが以前に開示されている。言い換えれば、パルスを組み合わせて、改変された単一の融解および凝固のサイクルを提供する。非周期パルスＥＬＡは、それが個別の融解／凝固サイクルで様々なレーザのパルスを用いるという点で異なる。しかしながら、これらのパルスは、ステージが高速で走行している間にかなりの重なりを示すほどに十分に時間ドメインで近接している。
【００２４】
さらに、非周期パルスＥＬＡ方法およびツールはまた、電子機器に形成される膜のエリアだけを結晶化するために、また、膜の選択エリア結晶化を実施するために用いることもできる。非周期パルスＥＬＡ方法およびツールは、選択エリア結晶化を提供し、その結果、膜の第１の領域で結晶成長が発生し、次いで、レーザの繰返し数で決まる中断があり、次に、２つ以上のレーザの第２のパルスにかなりの重なりが発生し、その結果、膜の第２の領域で結晶成長が発生する。レーザパルス間のタイミングが、非周期パルスシーケンスおよび照射領域でのかなりの重なりを発生させるが、それについては以下に詳述する。そのような方法およびシステムを、高い処理能力でＥＬＡプロセスに用いることができる。
【００２５】
選択エリア結晶化では、膜は、（本明細書では論じない後続のプロセスで）電子デバイスが作成される位置で結晶化される。しかしながら、全ての電子デバイスは等しく均一な材料、または均一な導電性の材料を必要とするわけではない。例えば、大きいＴＦＴまたはさらに大きいコンデンサよりも、小さいＴＦＴは、結晶質の均一性という点ではるかに要求が厳しい。また、現行の駆動に用いられるＴＦＴは、切り替えに用いられるＴＦＴよりもより良好な均一性を必要とし得る。したがって、結晶化される特定の領域の総面積の中で、一部だけが、高い数のレーザパルスで結晶化して、高い結晶質均一性および導電性を得る必要があり得るが、残りはより少ないパルスまたはさらには１つのパルスで処理され得る。選択エリア結晶化非周期パルスＥＬＡは、膜の選択されたエリアを走査するだけのための枠組みを提供し、それによって処理時間を減少させる。
【００２６】
非周期パルスＥＬＡ
非周期ＥＬＡシステムは、次の特徴のうちの一つ以上を含む：複数のレーザまたはレーザ管、および、短い連続でパルスを有するための後続パルスの遅延トリガー手段。本システムはまた、レーザビームパルスが基板上の特定の位置を照射するようにパルスのトリガーの位置制御を含み得る。時間的に近接して離間される２つのパルスのタイミングは、膜の照射部分がパルス間で凝固することを許容されるべきであり、同時に、位置制御によって、照射領域が、例えば、画素ＴＦＴまたは回路の列を作成するように基板上に適切に置かれることを保証する。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シルクハット形状プロフィールを有することがさらに望ましい。
【００２７】
レーザ源の数は、処理能力、レーザ出力、パネルサイズ、ディスプレイサイズ、システム設計、およびツールの保守などの様々な考慮に基づいて選択され得る。より多くのレーザは、一般的に、より高い結晶化速度という結果をもたらすが、また、より多くの光学素子を必要とし、その結果、より複雑で費用の高いシステム設計となり得る。また、より多くのレーザは、例えば、管の交換などのサービスに対する必要性がより頻繁となるため、ツールのダウン時間が増加するという結果になりかねない。レーザの数の例示の値は、３０、４０、または５０インチ以上程度に大きい直径を有するディスプレイを作成するために２ｍ２を超えるおよび多分５もしくは７．５ｍ２ほどに大きいガラスパネルを処理するために、各々が約６００Ｗ以上の出力を有する２〜４以上のレーザであり得る。
【００２８】
非周期パルスＥＬＡツールは、従来のＥＬＡおよび／またはＵＧＳツールにない次の恩典を提供することができる：
１．事前選択された領域への効率的な出力送達：位置制御によって、画素ＴＦＴ／回路間の領域は、必要以上に結晶化されない。このため、より効果的な結晶化速度が達成される。
２．ビームエッジ関連のアーチファクトの解消：ビームエッジは画素ＴＦＴ／回路には衝突せず、それで、その中の結晶化領域はすべて正確に同じパルスシーケンスを経験するようになる。
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のシーケンスで、多くの走査中で照射され、したがって、このシーケンスを最適化することができる（例えば、パルスエネルギー、パルス持続時間、パルス予備加熱）。
４．走査間での直交変移を実施することによって長軸上でのビームの不均一性を軽減。（短軸上のビームの不均一性もまた、走査内でのまたは走査間での効果的な平行変移によって、すなわち、目的とする領域に対してビームの横方向配置を変換させることによって、軽減され得る）。
【００２９】
複数回の走査は、一般的に満足な材料均一性を得るために非周期パルスＥＬＡで必要とされる。非周期パルスＥＬＡのＳＡＣ動作は、従来のＥＬＡよりも高い処理能力率を結果としてもたらす。加えて、容認可能なほど均一な結晶構造を得るために必要とされる非周期パルスＥＬＡでのパルス数は、従来のＥＬＡで必要とされるパルス数よりも少ない。従来のＥＬＡでは、ビームエッジは目的とするエリアと重なり、その結果、走査方向に沿った照射領域の結晶構造が変動する。結晶構造の変動は、例えば、１９９３年１０月４日の応用物理研究所文献６３、（１４）、ＩｍおよびＫｉｍの、Ｐｈａｓｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｉｎｖｏｌｖｅｄ  ｉｎ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｉｌｍｓで検討されているが、ここで、部分融解低圧化学気相成長（「ＬＰＣＶＤ」）による膜におけるエネルギー密度の関数としての粒子サイズの変動が論じられているが、ＬＰＣＶＤ非結晶質のＳｉ膜は、膜がエネルギー密度と共に増加する粒子サイズを有するようになる結晶化のトリガーとなる小さい結晶子を含むと信じられている。プラズマ化学気相成長法（「ＰＥＣＶＤ」）の膜では、融解および凝固のプロセスは、このような結晶子の不在によってさらに複雑化する。したがって、結晶化に先行して、核生成プロセスによる結晶形成が発生する。核生成密度が低いとき、それは結果として、例えば、図２Ｄに示す単一ショット、すなわち１つのレーザパルス照射されたＰＥＣＶＤの非結晶質Ｓｉ膜のまさにエッジで可視であるように、ディスク形状の結晶構造となる。図２Ｄは、単一ショットＰＥＣＶＤの非結晶質のＳｉ膜のエッジ領域１２０を示す。このエッジ領域１２０は、非結晶質Ｓｉ部分１２２と結晶質Ｓｉ部分１２４との双方を有する。しかしながら、非結晶質Ｓｉと結晶質Ｓｉとの間の遷移領域１２６は鋭いエッジではなく、結晶質材料および非結晶質材料の混合物を含む異質な領域である。したがって、最初の照射後の膜のこの非均一性は、粒子サイズの変動およびまたはディスク形状の結晶構造によって影響される。このような非均一性は、後の照射によっては容易に除去され得ない。従来のＥＬＡでは、１０個以上のパルスの後でさえも、第１のパルスビームエッジのエネルギー密度勾配の効果が目に見え得る。したがって、大きいパルス数が、第１のパルスビームエッジの履歴を消去するために必要とされる。
【００３０】
本明細書に開示するように、非周期パルスＥＬＡを用いるＳＡＣは、等しく均一に結晶化された膜を達成するのに必須とされるパルスがより少ない。以下に大いに詳述するように、ラインビームの短軸を横断するエネルギープロフィールは、徐々に変化するエネルギー密度の立ち上がりおよび立下りと、比較的一定のエネルギーの中心の平坦領域とを含む。本明細書で用いられるラインビームという用語は、ビームの長さよりもかなり小さい幅を有するビームのことであり、すなわちビームは大きいアスペクト比を有する。従来のＥＬＡでは、ビームエッジは、材料の非均一性の深刻な原因である。非周期パルスＥＬＡでは、ビームエッジは目的とする領域の外側に置かれ、それで、この目的とする領域を第１のパルスのシルクハット形状部分が照射するようにする。さらに、ビームのエネルギー密度を最適化して、累積プロセス用の最も均一な開始材料を生成し、材料の均一性の所望の水準に達成するために必要とされるパルスの数を減少させることができる。
【００３１】
非周期パルスＥＬＡを実施するシステム
図３Ａは、非周期パルスＥＬＡシステムを示す。本システムは、例えば、３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）または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。一連の鏡２０６、２０８、２１２は、レーザビームを、ｙ方向に走査することができるサンプルステージ１８０に方向付ける。ビームは、例えば、約３６０ｍｍまたは約４７０ｍｍまたは約７２０ｍｍの長さまたは、１回、２回、またはそれ以上の走査でガラスパネルを処理するのに適切な任意の長さを有するラインビームに形状化される。本システムはまた、レーザビームの空間プロフィールを制御するために用いられ得るスリット１４０と、このスリット１４０の反射を読み取るエネルギー密度計２１６とを含み得る。オプションのシャッター２２８は、サンプルが存在しないときまたは照射が所望されないときに、ビームをブロックするために用いることができる。サンプル１７０は、処理用にステージ１８０上に位置付けされ得る。さらに、ホモジナイザが、より均一なシルクハット形状ビームプロフィールを提供するために用いられ得る。また、減衰器が用いられ得る。ビームエネルギーは、レーザを直接に制御することによって制御される。ステージ１８０は、線形の平行移動ステージであり、横方向の平行移動能力を有することができる。オプションとして、本システムは、拡張された持続時間のパルスを生成するために、パルス拡張器２１３および鏡２１４を含み得る。
【００３２】
サンプル平行移動ステージ１８０は、好ましくは、演算装置によって制御されて、平面のｙ方向および、オプションとして、ｘおよびｚ方向におけるサンプル１７０の平行移動を達成する。この様式では、演算装置は、照射するビームパルスに対するサンプル１７０の相対的な位置を制御する。照射ビームパルスの繰り返しおよびエネルギー密度もまた、演算装置によって制御される。当業者は、ビーム源１１０，１１０’（例えば、パルス化されたエキシマレーザ）の代わりに、照射ビームパルスを、本明細書の以下に説明する様式でサンプル１７０の半導体（例えば、シリコン）薄膜の選択されたエリアを少なくとも部分的に融解する（そして、多分その厚さ全体にわたって完全に融解する）ために適切な短いエネルギーパルスの別の周知の供給源によって生成することができることを理解すべきである。このような周知の供給源は、パルス化されたソリッドステートレーザ、チョッピングされた連続波レーザ、パルス化された電子ビーム、およびパルス化されたイオンビームなどであり得る。一般的には、ビーム源１１０，１１０’で生成された照射ビームパルスは、４００ｍＪ／ｃｍ２〜１Ｊ／ｃｍ２または１．５以上の範囲のサンプル水準のビーム強度、１０〜３００ｎ秒の範囲のパルス持続時間（ＦＷＨＭ）、および１０Ｈｚ〜３００Ｈｚ〜６００Ｈｚまたは１．２ｋＨｚ以上の範囲のパルス繰返し数を提供する。
【００３３】
図３Ａの例示のシステムは、以下にさらに詳述する様式でサンプル１７０の半導体薄膜の処理を実行するために用いられ得る。マスク／スリットを、本開示の例示のシステムによって用いて、結果として生じるマスクされたビームパルスのプロフィールを画定し、かつ、半導体薄膜の部分の隣接部分およびエッジ領域の非均一性を、これらの部分がこのようなマスクされたビームパルスで照射されて次に結晶化されるときに、減少させることができる。
【００３４】
例えば、非周期パルスＥＬＡプロセス用のラインビームは、約１００以下〜３００ミクロン〜約４００〜６００ミクロン以上の幅を有し得る。このＥＬＡビームのフルエンスは、膜の完全な融解を招かないように選択される。したがって、ＥＬＡビームは、この与えられた膜に完全な融解を招くフルエンス値より少なくとも約５％〜３０％だけ低いフルエンスを有するべきである。この完全な融解を招くフルエンス値は、膜の厚さおよびパルスの持続時間に依存する。さらに、ＥＬＡビームは、約３００Ｈｚ〜約６００Ｈｚの比較的低い繰返し数を有し得る。開示された高出力レーザは、照射された領域の全長にわたって適切なエネルギー密度を提供するのに十分な１パルス当たりのエネルギーを提供することによって、パルスがこの領域内の膜を融解することができる。
【００３５】
ＥＬＡラインビームは、ＪＳＷ（日本、東京都品川区、大崎一丁目、ゲートシティー大崎タワー１１−１に位置する日本製鋼所）から入手可能なあるシステムで用いられるような比較的低周波数レーザ源から作成され得る。ＴＣＺから入手可能な高周波数レーザは、非周期パルスＥＬＡプロセスにはあまり適していないが、それは、ＴＦＴまたは回路のパルス繰返し数およびピッチによって決まる必要とされる走査速度が非常に高くなるからである。
【００３６】
図３Ｂに示すように、サンプル１７０の半導体薄膜１７５は、例えば、ガラス基板１７２上に直接に置くことが可能であり、また、１つ以上の中間層１７７に挟んで提供し得る。半導体薄膜１７５は、少なくともある必要なエリアが、その厚さ全体にわたって少なくとも部分的または完全に融解され得る限り、１００Åと１０，０００Å（１ミクロン）の間の厚さを有し得る。
【００３７】
本開示の例示の実施形態によれば、半導体薄膜１７５は、シリコン（例えば、非結晶質シリコンの薄膜）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）などから構成されており、そのすべてが、低水準の不純物を有しているのが好ましい。また、半導体薄膜１７５に、他の素子または半導体材料を利用することも可能である。半導体薄膜１７５のすぐ下に位置する中間層１７７は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、および／または酸化物、窒化物、または他の材料の混合物から構成することができる。
【００３８】
ビームパルス２００の例示のプロフィールを図４に示すが、これはまた、図３Ａに示すシステムの光学系によって形状処理し、および／またはマスクによって生成することができる。この例示の実施形態では、ビームパルス２００のエネルギー密度は、完全な融解しきい値未満のエネルギー密度、すなわち、膜が完全に融解するビームパルスのエネルギー密度を持つプロフィール２２０を有する。特に、このプロフィール２２０は、頂部部分２０５、立ち上がり部分２１０、および立下り部分２１５を含む。この実施形態の頂部部分２０５は、幅Ｃまで拡張し、その内部では、エネルギー密度はほぼ一定である。幅Ｃは、１００ミクロン〜１ｍｍの間にあり得る。立ち上がり部分２１０は、距離Ｄ１（例えば、５０ミクロン〜１００ミクロンの間）にまで拡張し得るが、立下り部分２１５は、距離Ｄ２（例えば、これはまた５０μｍ〜１００μｍの間）にまで拡張し得る。立ち上がり部分２１０は、Ｄ１Ｐの長さを持つセクションを有するが、これは、エネルギー密度がほぼ一定であるときの点から、結晶化しきい値、すなわち膜が結晶化するビームパルスのエネルギー密度のより低い点にまで拡張する。同様に、立下り部分２１５は、結晶化しきい値の点からエネルギー密度がほぼ一定であるときのより高い点まで拡張するＤ２Ｐの長さを持つセクションを有する。頂部部分２０５は、一般にビームの「シルクハット」部分と呼ばれる。
【００３９】
本システムはまた、薄膜の複数のセクションを同時に走査することを可能とするために、複数の投射レンズを含むことがある。薄膜の複数のセクションを同時に走査することを許容するシステムが、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ」という題名の米国特許第７，３６４，９５２号に開示されている。この方法およびシステムは二重レーザ源を用いて説明されているが、更なるレーザも用い得る。
【００４０】
非周期レーザパルスパターンは、好ましくは、同じ繰り返し数の複数のレーザのオフセット発射によって得られる。上述のように、レーザは、図２Ｂ〜２Ｃに示すパルスエネルギープロフィールを生成するように、コンピュータシステムによって制御することができる。上述のように、開示された実施形態では、２つのレーザ管が示されているが、３つ以上のレーザ管を、非周期パルスＥＬＡに用い得る。例えば、各々が個別のレーザパルスを放出する３つ、４つ、５つ、またはそれ以上のレーザ管を、最大で３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の照射を各々の走査中に膜の各々の部分に提供するために用いられ得る。
【００４１】
膜１７０は、非結晶質または多結晶質の膜、例えば、シリコン膜であり得る。この膜は、連続性の膜または不連続性の膜であり得る。例えば、膜が不連続性膜であれば、それは、光露光技術でパターン化された膜または選択的に堆積された膜であり得る。膜が選択的に堆積された膜であれば、それは、化学気相成長法、スパッタリング、または溶液で処理された膜、例えば、シリコン系のインクのインクジェット印刷によるものであり得る。
【００４２】
非周期パルスＥＬＡ方法
図５Ａは、非周期パルスＥＬＡプロセスを示す。図５Ａは、２つのレーザパルスの２つの集合が照射された膜の例示の図を示すが、ここで、最初の２つのレーザパルスは時間的に近接して発生しており、その後で遅延（この間に基板は矢印９８０で示すようにｙ方向に移動し続ける）があって、さらに第２の２つのレーザパルスもまた時間的に近接して発生している。このプロセスは、少なくとも４つの照射ステップを含むが、そのうちの２つの照射ステップ（ステップ１および３）が一次レーザからのパルスに対応し、２つの照射ステップ（ステップ２および４）が二次レーザからのパルスに対応している。
【００４３】
図５Ａは、図３Ａのシステムの光学系によって形状処理され、および／またはマスクによってパターン化されたラインタイプのビーム１６４のパルスに対するサンプル１７０の薄膜１７５の連続した平行移動を示す。図５Ｂは、図５Ａの領域５９０の分解図である。サンプル１７０上に提供された半導体薄膜１７５の照射のこの例示の図では、サンプル１７０は、ラインタイプのビーム１６４の方向に対してマイナスのｙ方向（矢印９８０）に平行移動される。サンプル１７０が、ラインタイプビーム１６４が薄膜１７５の第１の行５１０を指し示すような位置にこのようにして平行移動されるとき、ビーム源１１０は、一次レーザ源１１０からの第１のラインタイプのビームパルス４１０が、半導体薄膜１７５の第１の行５１０での１つ以上の部分５１１〜５１９を照射して、少なくとも部分的に融解するように演算装置によって起動される。図５に示す第１のラインタイプのパルス４１０のプロフィールおよび長さは、図４に示すパルス２００のプロフィールおよび長さに実質的に対応している。第１のパルス４１０のシルクハット部分２０５の幅Ｃは、領域９１０中の部分５１１〜５１９の断面全体を照射して、部分的に融解するのに十分広いことが好ましい。これらの部分は、ある構造（例えば、ＴＦＴ）を内部に位置付けし、それで、それらが画素を画定するために用いることが可能となるように指定することができる。部分的に融解されたこの再凝固された部分は、小さい粒子領域を有するが、比較的均一な材料を内部に含む可能性が高い。融解部分５１１〜５１９は、それらが均一な結晶粒子成長を内部に有するように、再凝固し、結晶化する。
【００４４】
そして、二次レーザ源１１０’からの第２のラインビームパルス４１０’が薄膜１７５を照射して、薄膜１７５の部分的融解を引き起こす。第２のラインビームパルス４１０’のシルクハット部分は、薄膜１７５の第２の領域９２０を照射して、部分５１１〜５１９の断面全体を部分的に融解する。図５に示すように、領域９１０および領域９２０は、かなりの重なりを有し、第１の結晶化領域９６０を形成する。開示された非周期パルスＥＬＡプロセスでは、第１の領域と第２の領域との間の重なりは、７０％を超え、８５％を超え、９０％を超え、９５％を超え、または９９％を超えることがあり得る。
【００４５】
上述のように、第１の行５１０がラインタイプのパルス４１０および４１０’を用いて照射されて部分的に融解した後で、サンプル１７０は、ビーム１６４が、サンプル１７０上に提供された半導体薄膜１７５の第２の行５２０に衝突するように、演算装置の制御を通じてマイナスのｙ方向に平行移動される。第１の行５１０に関しては、第２の行５２０に到達すると、一次レーザ源１１０は演算装置によって起動されて、第１の行５１０の照射に関して上述したのと実質的に同じ様式で第２の行５２０の領域９４０中の１つ以上のセクション５２１〜５２９を照射して、少なくとも部分的にまたは完全に融解する一次レーザからの第３のラインタイプパルス４２０を生成する。次に、二次レーザ源１１０’からの第４のラインビームパルス４２０’が薄膜１７５を照射して、セクション５２１〜５２９を含む薄膜１７５の部分的融解を引き起こす。第４のラインビームパルス４２０のシルクハット部分は、薄膜１７５の第４の領域９５０を照射する。図５に示すように、第３の領域９４０および第４の領域９５０は、かなりの重なりを有して、第２の結晶化領域９７０を形成する。開示された非周期パルスＥＬＡプロセスでは、第１の領域と第２の領域との間の重なりは、７０％を超え、８５％を超え、９０％を超え、９５％を超え、または９９％を超えることがあり得る。
【００４６】
サンプル１７０のこの平行移動（これにより、ラインタイプビーム１６４の衝突が、半導体薄膜１７５の第１の行５１０から第２の行５２０に移動する）は、距離Ｄにわたって実行される。距離Ｄはまた、画素行の周期性または画素ピッチとも参照することができるが、それは、距離Ｄにわたるサンプル１７０の平行移動が、サンプル１７０の他の行に対して実施されるからである。
【００４７】
ビーム１６４による自身への衝突に対するサンプル１７０の平行移動は、継続的に（例えば、停止することなく）実施することができる。演算装置は、事前定義された周波数に基づいて対応するパルス４１０、４１０’、４２０、４２０’を生成するようにレーザ１１０，１１０’を制御することができる。このようにして、薄膜１７５のそれぞれの行５１０、５２０がパルスによって正確に照射されるように、ラインタイプパルス４１０’、４１０、４２０’、４２０の半導体薄膜１７５への衝突に対してサンプル１７０の連続的平行移動の速度Ｖを定義することが可能である。例えば、サンプル１７０の平行移動のこの速度Ｖは、次のように定義することができる：
Ｖ＝Ｄｘｆｌａｓｅｒ
式中ｆｌａｓｅｒは、レーザの各々の周波数である。したがって、距離Ｄが２００μｍで、ｆｌａｓｅｒが３００Ｈｚであれば、速度Ｖは、ほぼ６ｃｍ／秒であり、これは一定速度であり得る。
【００４８】
サンプル１７０は、ビーム１６４のそれへの衝突に対して連続的に平行移動される必要はないとはいえ、一次レーザ源１１０および二次レーザ源１１０’の起動は、平行移動ステージ１８０によって提供される位置信号に基づいて制御することができる。この信号は、ラインタイプビーム１６４のそれへの衝突の位置に対するサンプル１７０の位置を示し得る。このような信号と関連付けられたデータに基づいて、演算装置は、レーザ源１１０，１１０’の起動およびサンプル１７０への平行移動を指示して、半導体薄膜１７０の特定の部分（例えば、行）の効果的な照射を達成することができる。したがって、半導体薄膜１７５の少なくとも部分の位置制御照射は、ラインタイプビーム１６４を用いて達成することができる。
【００４９】
４つの照射全てがこれらの領域を部分的に融解し、この融解した領域が次に、迅速に凝固して、結晶化領域を形成する。第１の領域９１０および第２の領域９２０が重なる薄膜１７５のエリアは、第１の結晶化領域９６０を形成する。第３の領域９４０および第４の領域９５０が重なる薄膜１７５のエリアは、第２の結晶化領域９７０を形成する。
【００５０】
第１および第２のレーザパルスの膜速度および繰り返し数（周波数）は、膜上で後に結晶化する領域の位置を決定する。１つ以上の実施形態では、第１および第２の結晶化領域９６０,９７０もまた重なり得るが、その場合、膜がｙ方向に走査されるにつれて、膜表面全体を結晶化することができる。
【００５１】
図５Ａに示すように、第１および第２の結晶化領域９６０,９７０は重ならない。したがって、非周期パルスシーケンスを用いて、目的とするある領域だけ、例えば、ディスプレイまたはセンサーアレイなどのアクティブマトリックスデバイスの中の画素ＴＦＴもしくは回路５１１〜５１９ならびにＴＦＴもしくは回路５２１〜５２９だけを選択的に結晶化することができる。このＳＡＣ実施形態では、第１と第２の結晶化領域９６０と９７０との間の重なりはない。重なりが欠如しているため、サンプルが保持されるステージは、より高い速度で移動して、第１と第２の結晶化領域９６０と９７０との間の間隔を増加させて、マトリックスタイプの電子機器の周期性を整合させることができる。ステージ速度のこのような増加は、全体的な処理能力のかなりの増加を結果としてもたらすことができる。例えば、ディスプレイの画素アレイでは、電子機器の密度はむしろ低く、例えば、数百μｍ以上、例えば１ｍｍ以上を超える画素ピッチを有し、かなりの処理能力の増大を、これらの領域の結晶化だけによって達成することができる。したがって、ステージは、与えられたレーザパルス繰返し数に対してより高速で移動させて、膜上の選択されたエリアの完全な結晶化を遂行することができる。ＳＡＣ非周期パルスＥＬＡシステムの処理能力の例示の値は、本出願の実施例のセクションに参照されている。したがって、非周期パルスＳＡＣの処理能力の改善によって、大型のテレビの製造で必要とされるような大型パネル、例えば、第８世代パネル（約２．２０×２．５０ｍ２）の処理能力をより競合的にすることができる。
【００５２】
図６は、第１および第３のラインビームパルス１０００,１０１０が第２および第４のラインビームパルス１０２０,１０３０よりも低いエネルギー密度を有する以外は、図５Ａに示す走査と類似の走査を示す。この図は、図７Ｃに示すエネルギー密度に対応している。エネルギー密度は、完全融解しきい値の約２０％〜約７０％の範囲であり得る。通常、非周期パルスＥＬＡでは、第１の融解および凝固サイクルは、低欠陥密度を持つ十分な均一性材料を結果としてもたらすＥＬＡにおける累積効果の恩典を与えるようにもっとも均一な結晶構造を提供する最適化が得られる。例えば、第１のパルスは、完全融解しきい値よりも高いエネルギー密度にあり得る。このようなより高いエネルギー密度は、例えば、最初の２つのパルスを同時に発射して、たった一つの融解および凝固のサイクル（すなわち、区別がつくほどではない）を結果としてもたらすことによって容易に達成され得る。同様に、最初の２つのパルスは、特に開始材料がＰＥＣＶＤ堆積されたＳｉ膜であった場合、部分的に融解された材料の均一性の恩典をさらに与えることがあり得るより長いパルス持続時間を有する合成パルスを形成するように小さい遅延でトリガーされ得る。
【００５３】
図７は、図５Ａで説明したような、また、膜１１００の逆方向の第２の走査を含む、第１の非周期パルス走査を示す。図７の第１の走査では、５つの領域１１１０、１１１２、１１１４、１１１６、および１１１８は、走査が第１の方向１１２０に進行するにつれて照射される。図５Ａに関連して説明したように、５つの領域１１１０、１１１２、１１１４、１１１６、および１１１８の各々は、第１のラインビームパルス１１２２で照射された領域と、第２のラインビームパルス１１２４で照射されたエリアとに対応している。各々の照射の結果、照射された領域が部分的に融解し、後に結晶化する。第１のラインビームパルス１１２２で照射された領域と、第２のラインビームパルス１１２４で照射された領域とによって形成された重なり領域は、第１の領域１１１０に対応している。膜の５つの領域全てが第１の走査で照射された後、膜は、プラスのｘ方向にシフトされて、第２の走査が第１の走査とは逆の方向、すなわち矢印１１３０の方向に発生する。複数走査式の従来のＥＬＡ技法が、「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ」という題名の国際公開第ＷＯ２０１０／０５６９９０号に開示されている。いくつかの実施形態では、膜は走査または膜が第１と第２の走査間でマイナスのｘ方向に転換可能となる前には、ｘ方向にシフトされない。第２の走査は、図７に示すように、照射された領域１１３２、１１３４、および１１３６などを結果としてもたらす。この複数パス走査は、より高品質の結晶膜を提供することができる。膜は、１回、２回、３回、４回、５回またはそれ以上の回数だけ走査することができる。
【００５４】
したがって、非周期パルスＥＬＡシステムは、複数の走査を実行して、所望の数のパルスに到達することができる。例えば、４レーザ管システムは、５走査プロセスで用いられて、膜の単位面積当たり合計２０個のパルスを達成することができる。この技法によって、膜の各々のセグメントに対してパルスエネルギーシーケンスを正確に制御することが可能となる。例えば、非周期パルスＥＬＡでは、第１走査の各々のパルスの一連の流れの第１のパルスは、後続の走査よりも低いフルエンスにあり得る。いくつかの実施形態では、最後に表面に衝突するパルスは、ＥＬＡ処理された膜の表面粗さを軽減するために表面融解を導入するように、より低いエネルギー密度にあり得る。さらに、画素ＴＦＴもしくは回路またはそれらの任意の部分の各々のセグメントは、正確に同じパルスエネルギー密度を有し得るが、それは、ビームエッジでそれを照射することを完全に回避することができるからである。ビームエッジが目的とするエリアに衝突することを回避するということは、累積プロセスが、望ましい均一性を持つ材料により迅速に収束し得るため、このような材料に対する総パルス数は、従来のＥＬＡプロセスに比較して減少させ得るということを意味している。したがって、本方法の恩典は、二重のものとなり、すなわち、選択エリア結晶化の結果としての平均パルス数の減少と、ビームのエッジでの照射を回避した結果として第１のパルス後での材料の初期の非均一性が減少されたため目的エリアでのパルス数の減少とである。
【００５５】
すでに説明したＥＬＡ方法と比較して、非周期パルス選択エリア結晶化ＥＬＡでのビーム幅はしばしば少なく、それは、結晶化される領域の幅ほどに広ければよいだけである。したがって、ビーム長を増加させるために用いることができる余分のエネルギーが利用できる。より長いビーム長は、より大きい寸法の投射レンズを用いて実現することができる。また、ビームは個別の光路に分割して、ビームパルスによる走査中に膜の複数の領域を同時に結晶化することができる。走査後にプロセス領域の長さを増加させることによって、膜を完全に結晶化するために必要とされる走査の総数を減少させることができる。
【００５６】
加えて、選択エリア結晶化非周期パルスＥＬＡを用いて、目的領域がビームの立下りで照射されないように、ビームのシルクハット部分を正確に整列させることができる。理想的には、目的エリアの第１の照射は、ビームのシルクハット部分または少なくとも、膜の結晶化しきい値を超える全く類似のエネルギー密度を持つラインビームの一部分によって行うべきである。このように、ビームエッジが膜上の目的領域を照射しないように膜を選択的に照射することによって、膜内の必要とする微細構造および均一性を生成するために必要な走査の数を減少させることができる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、光学系を用いて、各々が別の列の画素ＴＦＴまたは画素回路（或いは、少なくとも後の画素ＴＦＴまたは回路が製造される位置）に方向付けられる２つ以上のラインビームにビームを分割することができる。この様式では、２つのラインビームに分割されたビームを用いて単位面積当たりのパルス数を倍にすることが可能となるので、完全な結晶化に到達するために必要な走査をさらに減少することも可能となる。多数の平行なラインビームを、画素ＴＦＴ／回路の隣接する列に、または隣接しない列に衝突するように用い得る。多数のラインビームを、ビームを分割して、それらを個別の光学経路に方向付ける周知の方法を用いて生成し得る。分割されたビームはまた、光路の一部を通って、例えば、投射レンズを通って、またはさらに分割直後に一緒に走行するように再結合し得る。分割されたビームは互いに対して平行におよび／または互いに少しずれた角度で走行し得る。ビーム長を維持しながらビームを分割すると、その結果、ビームの幅が約１／ｍになる（式中、ｍはラインビームの数）。
【００５８】
非周期パルスＥＬＡ方法の特定のパラメータは、ビーム幅に依存するが、これ自身は、結晶化される領域の幅に依存する。例えば、アクティブマトリックスデバイスのサイズは、ある画素の寸法を示唆し得る。画素の寸法は、非周期ＥＬＡ処理能力をうまく利用する新しい画素レイアウトを生じ得る。例えば、６６０μｍの画素ピッチを有する５５インチのディスプレイは、３００μｍ幅の結晶化領域を必要とし得る。画素寸法のさらなる縮小（例えば、超高解像度ディスプレイの場合）と、非周期ＥＬＡ結晶化スキームでより適切なレイアウトを指向する設計の最適化とは、この領域の寸法を、例えば１５０μｍ未満に減少させることができる。最適化はさらに、隣接する２つの列の画素の異なるレイアウトを有することを含むが、隣接する列の中のＴＦＴ／回路は互いに近接して置かれているので、それらが一回の照射で重なることが可能となり、その後、照射される次の領域まで走行する距離は、さらに大きくなり得る。
【００５９】
画素ＴＦＴのみならず、ＴＦＴもまた、列ドライバおよび行ドライバを作成するためにはディスプレイの周辺にあるのが望ましくあり得る。行ドライバは、映像信号を処理するためにより高い性能を有することが必要であり得る。いくつかの実施形態では、ＳＡＣは、所望のドライバをディスプレイの周辺に統合するための十分な面積の結晶化材料を提供する。他の実施形態では、非周期パルスＥＬＡの後に、個別の結晶化ステップが続いて、ディスプレイの周辺をより完全に結晶化することができる。これは、これらの領域で従来の走査ＥＬＡを実施することで、同じレーザおよび光路を用いて実行することができる。代替的には、これは、狭いラインビーム形状のソリッドステートレーザを用いて連続した横方向凝固（「ＳＬＳ」）またはＥＬＡを実施することで実行できる。代替的には、例えば、２ショットＳＬＳ（すなわち、２００８年１０月３１日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒＵｎｉｆｏｒｍ  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｌａｓｅｒｓ」という題名の米国特許出願第１２／０６３，８１４号に示すような単位面積当たり２つのレーザパルス）またはドットＳＬＳ（すなわち、２０１０年１月１２日に発行された「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｒｅａｔｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ−Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｌｍｓ」という題名の米国特許第７，６４５，３３７号に示すようなドットパターンを有するマスクを用いるＳＬＳ）を実施するための２Ｄ投影照射ツール。このようなものを同じツールに組み入れ、正確なステージの恩典を得ることができる。本明細書で用いられるｘショットプロセスとは、膜の各々の目標エリアをｘ回だけ照射することである。
【００６０】
上述のように、選択エリア結晶化には、例えばマトリックスタイプの電気デバイスまたは回路の中の目的領域だけを結晶化することが伴う。したがって、結晶化される領域の位置は、マトリックスタイプの電子デバイスまたは回路の中の結節の位置に対して整列する必要がある。したがって、ＳＡＣを実施するためには、サンプルの整列技法を実施すべきである。サンプル整列のステップは、様々な技法に従って達成され得る。１つの技法では、サンプル整列は、サンプル位置が電子デバイスを作成する更なる処理ステップで再現可能となるような仕方でサンプルを位置付ける能力をさらに有する結晶化システムを用いて確立され得る。１つの広く用いられる方法は、結晶化に先立って検出され、かつ結晶化プロセスがそれに対して整列される基準または整列マークをパネルに備えるときのそれである。このようなサンプル整列方法は、一般的に、光露光手順で用いられて、サブミクロンの精度がこのようなデバイスの様々な特徴と重ね合わせた薄膜トランジスタを作成する。ＳＡＣにおけるサンプル整列は、光露光技術でのそれほどに正確である必要はない。例えば、結晶化領域は、目的領域よりも、各々の側で数ミクロンまたは１０数ミクロンだけ大きくなり得る。
【００６１】
別の技法では、サンプル整列は、電子デバイスの製造に先立って結晶化領域の位置を検出することによって確立される。この位置は、電子機器が置かれる領域を検出することによって達成される。これらの領域は、非結晶質から結晶質への変化が光学特性の変化の結果として顕微鏡で可視であり得るために、検出することができる。
【００６２】
サンプル整列のためのシステムは、基準を検出して、サンプルをその基準に対して周知の位置に整列させる自動システムを含み得る。例えば、本システムは、運動を制御して、膜上の基準を検出可能な光検出器に応答する演算装置を含み得る。この光検出器は、例えば、ＣＣＤカメラであり得る。
【００６３】
ＰＥＣＶＤ非結晶質Ｓｉ膜の均一な部分融解結晶化
上述のように、部分融解結晶化技法は、１つ以上の照射を用いてシリコン膜を結晶化させる技法であって、少なくとも最後のパルスは膜の完全な融解を引き起こさない。いくつかの実施形態では、部分融解一様面照射方法を用いて、微細な粒状で均一な結晶膜を生成し、或いは非周期パルス照射方法用の前駆物質膜を生成することができる。部分融解一様面照射方法は、いかなる既存の結晶子（例えば、ＰＥＣＶＤ膜）も欠いた非結晶質シリコン膜が２つのステップで、膜の厚さを超える平均の横方向寸法を有する粒子を持つ微細粒状均一結晶膜に変換される２ショットの部分融解プロセスであり得る。部分融解一様面照射方法はまた、いかなる既存の結晶子（例えば、ＰＥＣＶＤ膜）も欠いた非結晶質シリコン膜が膜厚未満の平均の横方向寸法を有する粒子を持つ微細粒状結晶膜に変換される、拡張された持続時間の単一ショットの部分融解プロセスであり得る。
【００６４】
Ｊａｍｅｓ  Ｉｍ教授の業績が示したところによれば、超横方向成長（「ＳＬＧ」）が単一ショット照射プロセスにおいて、完全融解しきい値に近いエネルギー密度で発生し得るが、それにより、「近完全融解」が発生し（ＩｍらによるＡＰＬ６３、１９９３の１９６９ページ）、その結果、低粒子間欠陥密度を有する粒子の横方向成長が発生する。このような材料は、１００ｃｍ２／Ｖｓを超える移動度を持つＴＦＴを作成するために用いられ得る。しかしながら、この材料のＴＦＴ均一性は劣るが、それは、粒子サイズが（１）パルスエネルギー密度、（２）前駆物質膜の中の異質性、および（３）完全に非結晶質の膜を用いた場合の、結晶核生成プロセスの確率論的な性質に対して非常に敏感であるからである。しかしながら、このＳＬＧ状態での複数の照射の結果、より均一なサイズの粒子を得ることができる。これは、照射光の波長と釣り合った膜の中の周期的な表面粗さの形成によって可能なり、その結果、自己安定式のプロセスが得られる。この方式は、ほとんどの場合にラインビームを用いるＥＬＡとして商業化されている。上述のように、ＥＬＡプロセスは累積プロセスであって、最初に不均一な多結晶膜が、近完全融解状態での複数の照射によってより均一な状態に収束する。しかしながら、ＥＬＡプロセスは、初期多結晶状態が均一であれば、より効果的であり得る。
【００６５】
上述のように、ＵＧＳシステムを使用し、或いは、目的領域がビームのエッジで照射されない非周期パルスＥＬＡシステムを使用することによって、より均一な多結晶膜を得ることができる。しかしながら、初期にビームのシルクハット部分の照射を受けた領域でさえ、前駆物質膜の中の異質性、また、完全非結晶膜の場合における結晶核生成プロセスの確率論的な性質の結果として、不均一性という問題を有し得る。本開示は、部分融解結晶化を実施して、上述のＥＬＡプロセス（従来式と非周期パルス式の双方）の効率を増すのに恩典となり得る均一な初期結晶化多結晶膜を生成する方法およびシステムに関する。他の実施形態では、均一性が向上して得られたＰＭＣ材料自身が、さらなるＥＬＡ処理なしで薄膜電子デバイスを生成するために用いられ得る。これは、低性能薄膜デバイス（例えば、１００ｃｍ２／Ｖｓ未満または１０ｃｍ２／Ｖｓほど低い）が十分であるが膜の均一性が依然として決定的に重要である状況下では恩典となり得る。
【００６６】
部分融解結晶化（すなわち、近完全融解しきい値未満のエネルギー密度での結晶化）は、１９９３年１０月４日の応用物理研究所文献６３、（１４）のＩｍおよびＫｉｍによるＰｈａｓｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｉｎｖｏｌｖｅｄ  ｉｎ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｉｌｍｓの中のＬＰＣＶＤを用いて堆積された非結晶質Ｓｉ膜に関してすでに述べられている。この研究は、ＬＰＣＶＤＳｉ膜が完全な非結晶質ではないことと、かつ小さい結晶子が結晶化の種となる膜の中に存在することとを示した。結晶子の高い密度のために、結晶子間の横方向間隔は極端に小さく、結晶成長が、膜の平面に主として直角の方向に発生する。粒子の非常に小さいサイズが、この材料を、均一なＴＦＴを作成するために魅力的なものとしている。ＬＰＣＶＤ膜のこのような単一ショット結晶化は、レーザパルスのステージ同期照射がさらに可能な一様面照射ツールで実施されるＵＧＳ方法と呼ばれる（２次元投射系を用いる「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｔｏ  ｍｉｎｉｍｉｚｅ  ｅｄｇｅ  ａｒｅａｓ，  ａｎｄ  ａ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓｕｃｈ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名の米国特許出願公開第２００６−００３０１６４Ａ１号と、ラインビームＥＬＡシステムを用いる「Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｉｎｇ  ｏｆ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ａ  ｌｉｎｅ−ｔｙｐｅ  ｂｅａｍ，  ａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｅｓ  ｏｆ  ｓｕｃｈ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名の米国特許出願公開第２００７−００１０１０４Ａ１号を参照）。潜在的には、これは、非常に高い処理能力を持つＬＴＰＳデバイスを作成する方法であり得る。このようなデバイスは、現在では、非結晶質シリコンが不十分な性能水準（ｎチャネルＵＧＳＴＦＴの最大で３０またはさらに５０ｃｍ２／Ｖｓと比較してｎチャネルＳｉＴＦＴの約１ｃｍ２／Ｖｓ）のものであると結論付けられているＵＤ−ＬＣＤＴＶ製品（例えば、約２０００×４０００画素、４８０Ｈｚおよび８０”）に用いられると考えられている。
【００６７】
非常に小さい柱状粒子を有するＰＭＣ微細構造は、この部分融解エネルギー密度状態では決して普遍的には達成されない。研究の示したところでは、現在理解されているところの部分融解結晶化は、小粒子均一ＬＴＰＳＴＦＴの製造には再現的に用いることはできない。Ｍａｒｉｕｃｃｉら（Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍ４２７（２００３年）９１〜９５）は、例えば、非常に異質で部分的に非常に欠陥がある材料が得られ得る（横方向成長によってより大きくより清浄な粒子によって囲まれた欠陥のあるコア）ことを示している。
【００６８】
図８Ａは、ＰＭＣ状態の低端での１つの照射後の表面のＡＦＭ走査を示す。それは、横方向成長を示す大きい突出部と、凝固時のＳｉの拡張の結果としての対応する横方向質量流とによって囲まれたディスク形状の構造を示す。図８Ｂは、図８Ａの結晶構造を示す。８Ｂの結晶構造は、欠陥のあるコア８００を有する。この構造は、横方向結晶化の種をまき、かつ結果としてディスク形状構造をもたらす核生成事象の低密度の結果である。初期の成長条件は、平衡状態からは程遠い。したがって、結晶は高度に欠陥がある。成長前線が互いに中に移動するにつれて、十分な熱が発散されて、膜のかなりの再加熱をもたらす。再加熱は、その結果として、より低い欠陥密度の横方向成長をもたらし得る。
【００６９】
図８Ｃは、より高いエネルギー密度であるがＰＭＣ状態での１回照射後の膜の表面のＡＦＭ走査を示す。図８Ｄは、図８Ｃの結晶構造を示す図である。ここで、より高いエネルギー密度での照射によって引き起こされたさらなる熱の結果、相転移の初期段階で形成された欠陥のあるコア領域の再融解をもたらす。欠陥のあるコア領域の融解しきい値は、低欠陥密度外輪のそれよりも低く、したがって、優先的に融解する。これらのエネルギー密度での再成長は、外輪によって生じて内向きに進行する。この生成は、凝固時のＳｉの拡張の結果として中心に小さい突出部を生じる。これらの突出部は、図８ＣのＡＦＭ走査で目に見える。欠陥のあるコア領域の再融解は、結果として、より均一な膜をもたらし得る。図８Ｄは、膜の近完全融解に十分であるエネルギー密度で得られた結晶構造を示す図である。近完全融解とは、固体として残る小さい種領域以外の膜全体が融解する融解スキームのことである。膜の凝固時、これらの融解していない粒子から結晶粒子が成長する。図８Ｅは、非融解種からの横方向結晶化時に形成された円形領域を示す。
【００７０】
欠陥のあるコア領域の二次融解は、レーザパルスの時間プロフィールによって影響され得る。例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ．（カリフォルニア州、サンタクララ市）から入手可能なエキシマレーザは、強度のピークを示す時間プロフィールを有する傾向がある。第１のピークは、膜の初期の爆発的結晶化をもたらし得るし、第２のピークは、結果として、初期段階中に形成された欠陥のあるコア領域の選択的再融解をもたらし得る。このレーザの時間プロフィールは、特にレーザガスの経年劣化によって、時間と共に変動することが知られている。究極には、時間の経過によって、第３の強度ピークが現れ得る。したがって、コアの再融解後の材料はより均一になるとはいえ、それは、レーザツールからの多くのパルスによって再生は容易ではない。他のレーザは、たった一つの強度ピークを有し得るが、同じパルス内での再融解の詳細は異なる可能性が高い。
【００７１】
この微細構造の再生可能性を改善する１つの方法は、膜を２回だけ照射することである。第１のパルスは、欠陥のあるコア材料を獲得するように最適化することが可能であり、第２のパルスは、コア領域を再融解するので、清浄化するように最適化することができる。これは、２つの走査を用いて、或いは、ステージが次の位置に進む前に、各々の位置に２つのパルスを照射する歩進および照射手順を用いて実行され得る。
【００７２】
本開示は、このような二部照射部分融解結晶化プロセスをより効率的に、すなわち一回の走査で提供するシステムに関する。非周期パルスＥＬＡシステムを用いて、二部プロセスの第１のレーザパルスを生成し、大きい粒子を有するが膜全体にわたって均一性の劣る中間的微細構造を獲得することが可能であり、一方、第２のパルスを用いて、中間的微細構造を清浄化して、最終的な均一膜を生成する。本開示は、したがって、再融解したコア領域の最適化されたエネルギー密度窓を達成するための第２のパルスの遅延したトリガー（および、多分、第１または第２のパルスのフルエンス制御）を教示する。遅延トリガーは、早期に、しかしやがて、パルス持続時間の拡張を、しかも鏡による光学的損失なしで模倣するように提案されている。これらのパルスは近接していて重なり得るため、これは、第２のパルスの到来時に、膜が完全には冷却していないまたは多分完全に凝固さえしていないため、その結果、エネルギー密度がより効果的に用いられるようになることを意味する。さらに、第１および第２のパルスのエネルギー密度は同じまたは異なり得る。しかしながら、膜は第２のパルス到来以前には完全には冷却されていないため、膜は、第１のパルスと比較して第２のパルスからは異なる程度の融解を経験し得る。
【００７３】
開始膜は、一般的には、ＳｉＯ２被覆のガラス、石英、または酸化Ｓｉのウエハ上の約４０ｎｍ〜１００ｎｍ厚またはさらに最大で２００ｎｍ厚のＳｉ膜である。より薄い膜が一般には好ましいが、それは、その方が堆積時間を減少させ、また、所望の融解水準に達するのに要するエネルギー密度を軽減するからである。パルスは、約３０ｎｓＦＷＨＭ以上、例えば、最大で３００ｎｓＦＷＨＭ以上のパルス持続時間を有し得る。概して、パルスが短いほうがＳｉ膜を融解させる効率が高いが、それは、下層の基板に対して失われる熱が少なくなり、より高い処理能力が達成され得るからである。部分融解エネルギー密度範囲の全体にわたって膜を照射することができる。
【００７４】
別の実施形態では、微細結晶子を欠いた膜（ＰＥＣＶＤを用いて得られたまま）を用いながらも、ディスク形状領域は完全に回避される。ディスク形状領域は、核生成密度を増大させることによって回避することができる。より高い核生成密度は、より垂直な結晶化プロセスをもたらし、その結果、より低い横方向成長および横方向質量流をもたらしかねない。より高い核生成密度は、より長いパルス持続時間に変換することによって達成できるが、それは、長いパルス持続時間によって、非結晶質Ｓｉ融解前線がよりゆっくりと移動するからである。（温度に対する固体−液体界面の速度を示す）図９に示す界面応答関数（「ＩＲＦ」）で分かるように、これは、その温度が結晶子Ｓｉ融解温度Ｔｘｍに対してより過冷却されることを意味する。図９のＩＲＦは、ｘ軸の温度およびｙ軸の結晶前線を示す。凝固領域はグラフのプラスの領域であり、融解領域はグラフのマイナス領域である。点線は非結晶質シリコンに対応し、実線は結晶質シリコンに対応する。
【００７５】
したがって、遅融解特徴を有する長いパルス９００の場合、核生成は迅速に、しかも、非結晶質ＳｉＩＲＦ曲線上の点９０５で示すように深い過冷却状態で開始する。古典的な核生成理論から、深い過冷却状態は、結果として、より高い核生成速度をもたらすことが周知である。したがって、多数の核が短時間内に、しかも、これらの核が成長し始める（再熱と呼ばれる現象）につれて膜が融合熱の放出の結果として再加熱し始める前に形成される。この核生成の高い密度は、その領域での横方向成長を実質的に消滅させるが、それは、核成長が垂直方向で発生するからである。深刻な横方向成長は、より同質でない構造および不均一な表面を生成し得る。したがって、膜に対して単位時間当たりより少ないエネルギーを印加する長い持続時間パルスを用いることによって、高密度の微細結晶子が既存する（一部の）ＬＰＣＶＤ膜で得られるそれらと類似の膜を得ることができる。
【００７６】
一方、短いパルス９１０の場合、融解前線は、迅速に移動し、あまり過冷却されない。状態は、ＩＲＦ上の９１５におおむね対応する。過冷却は長パルス照射膜では軽減されるが、それでも、低速とはいえ、核生成が発生するには十分である。したがって、かなりの再熱が発生する前に短い間時間間隔ではより少ない核が形成され、その結果、さらなる核生成が停止される温度にまで膜がさらに過熱される。核形成の密度がより低いため、これらのタイプの膜は、より横方向成長を経験し、その結果、異質の結晶成長をもたらす。
【００７７】
規則的なエキシマレーザパルスは、シナリオを可能とするのに十分短くすることができるが、８×短パルス拡張器を用いて（約３００ｎｓＦＷＨＭパルスを生成）すれば、長パルスシナリオに移動するのに十分長いパルスを生成することができる。代替的には、長尺のパルスは、各々が短いシーケンスで発射される複数レーザ管を用いて、単一の融解・凝固サイクルを導入することによって生成され得る。
【００７８】
したがって、同一な結晶膜は、遅速融解特徴を持つ長パルスを用いて単一パルス部分融解プロセスを通じて得ることができる。この膜は、従来のまたは非周期パルスＥＬＡプロセス用の前駆物質膜として用いることができる。
【００７９】
完全融解結晶化
別の態様では、完全融解状態における照射を用いて、微細粒状均一結晶膜を生成するまたは、後続の累積ＥＬＡプロセスから恩典を得る初期結晶化多結晶膜を生成する。完全融解結晶化（ＣＭＣ）は、単一ショット照射を用いて、Ｓｉ膜を完全に融解し、すると、この膜は核生成を通じて結晶化する技法である（「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｔｏ  ｐｒｏｖｉｄｅ  ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ  ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ，  ａｎｄ  ａ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓｕｃｈ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名のＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．第１０／５２５，２８８号を参照）。ＣＭＣは、さらにステージ同期式レーザパルス照射が可能な一様面照射ツールで実施されるＵＧＳ方法と呼ばれるもののうちの一つである（２Ｄ投影システムを用いる「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｔｏ  ｍｉｎｉｍｉｚｅ  ｅｄｇｅ  ａｒｅａｓ，  ａｎｄ  ａ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓｕｃｈ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ」という題名のＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．第１０／５２５，２９７号と、ラインビームＥｌａシステムを用いる「Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ａ  ｌｉｎｅ−ｔｙｐｅ  ｂｅａｍ，  ａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  ｓｕｃｈ  ｆｉｌｍ  ｒｅｇｉｏｎｓという題名のＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．第１１／３７３，７７２号を参照」）。
【００８０】
ここで開示するＣＭＣ方法は、低欠陥小規模等軸粒子Ｓｉ膜を形成するために薄膜中での異質核生成に焦点を合わせたものである。本システムは、例えば、膜の完全融解しきい値の１．３〜１．４倍よりも大きい高エネルギー密度のパルスを用いる。本処理は、外気または任意の酸素含有雰囲気中で実施される。本プロセスは、厚さ約５０ｎｍ未満の酸化表面層またはキャップ層を有する膜を用いて実施され得る。本システムは、約８０ｎｓ〜約５００ｎｓ（例えば、２００ｎｓまたは４００ｎｓ）の比較的長いパルス持続時間を、比較的薄いＳｉ膜（１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲）と組み合わせて、ＳｉＯ２、ガラス、石英のウエハに対して用いる。ある所望の異質核生成シナリオを誘導するようにプロセスのパラメータを選択することによって、先行技術で教示される同質核生成シナリオの代わりに、核生成を、膜と酸化物表面層との間の界面とおよび膜と基板との間の界面との双方で達成することができる。これらのパラメータの結果、低欠陥密度の結晶を形成することができる。
【００８１】
開示されるＣＭＣ方法は、非常に高い処理性能で、低性能ＬＴＰＳデバイスを作成するために用いることができる。このようなデバイスは、非結晶質シリコンは不十分な性能水準（ｎチャネルＵＧＳＴＦＴの最大で３０さらには５０ｃｍ２／Ｖｓと比較してｎチャネルＳｉＴＦＴの約１ｃｍ２／Ｖｓ）にあると結論されるＵＤ−ＬＣＤＴＶ製品（例えば、約２０００×４０００画素、４８０Ｈｚ、８０インチ）用であると現在考えられている。
【００８２】
完全融解は、照射条件およびサンプル構成次第で様々な核生成誘導された微細構造を結果としてもたらすことが知られているが、このプロセスの説明は、Ｓ．ＨａｚａｉｒらによるＭａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．の９７９巻（２００７年）の「Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ−Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉ  Ｆｉｌｍｓ」に見受けられる。これらの微細構造の多くが、高度の異質性を特徴（可変の粒子サイズ、高度の欠陥領域）としているが、その結果、デバイスの均一性に乏しい。例えば、Ｈａｚａｉｒ文書の主題は、欠陥コア領域が低欠陥密度の「花弁」形状の粒子の輪によって囲まれている花形状粒子（フランジＳｉ）の形成である。
【００８３】
しかしながら、特に１つの微細構造は、この例外であるようであり、また、Ｓ．Ｒ．Ｓｔｉｆｆｌｅｒ、Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＰ．Ｓ．ＰｅｅｒｃｙによるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．の６０、２５１９（１９８８年）に最初に記述された。この微細構造は、膜の厚さ全体にわたって分布し、非常に低い照射欠陥密度を持つ均一の小粒子から成る。このような微細構造は、良好なデバイス均一性および多分、かなりのデバイス製造水準を結果としてもたらすと期待されている。これは底部ゲートＴＦＴにはさらに当てはまるが、それは、小粒子Ｓｉを作成する他の多くの方法（堆積技法を含む）とは異なって、底部での／近くでの結晶は低欠陥密度およびより大きいサイズを有するからである。しかしながら、この微細構造の形成の背後にある機構、したがってこれを再生的に得るための必要とされる条件に関しては疑問が残る。
【００８４】
小さい等軸粒子Ｓｉ（セグメントＳｉ）は、同質の核生成、すなわち界面だけでのそれとは対照的な液体のバルク全体にわたる固体の核生成の結果であるとＳｔｉｆｆｌｅｒによって説明された。Ｓｔｉｆｆｌｅｒは、彼の結論の基礎を、膜の前線側の反射および導電率が同時に落ち込んだ過渡反射（「ＴＲ」）のデータおよび過渡導電率（「ＴＣ」）のデータの組み合わせに置いた。これは、膜のバルク全体にわたる核生成を示すものであると論じられた。２０年にわたって、これは、膜のバルク内での（すなわち、表面または底部の界面とは境界を接しない）粒子の存在を説明する容認済みのモデルであった。最近では、ＴＲ研究に基づいて、Ｓｔｉｆｆｌｅｒのモデルが不正確であることが分かっている。
【００８５】
ここでのＴＲ研究は、その代わりに、セグメントＳｉは異質核生成（すなわち、界面でのそれ）とそれに続く欠陥コア構造の体積的な再熱、再融解、および再凝固の結果であると推定されたモデルを提示している。したがって、このシナリオの初期の段階は、フランジＳｉをもたらすそれと等価であり、相違は、欠陥コア領域が、低欠陥密度粒子中で再融解して、再凝固し、セグメントＳｉを形成することである。
【００８６】
Ｓｔｉｆｆｌｅｒのデータの場合、微細構造特徴は、上面図の平面ＳＥＭＴＥＭおよびＡＦＭの画像に基づいていた。しかしながら、これは、ＴＲデータの全ての特徴を説明するには不十分であった。具体的には、Ｓｔｉｆｆｌｅｒのモデルは、真空雰囲気中で、さらに、レーザ照射前に最初のＳｉＯ２層を除去して実行された実験から観察可能な前面側ＴＲ（「ＦＴＲ」）での降下前に背面側のＴＲ（「ＢＴＲ」）で降下が発生することを説明することは不可能であった。
【００８７】
現在では、底面図の平面と断面のＴＥＭ微細構造特徴とに基づいて、このようなＴＲ降下の結果、上向きに成長しているように見え、膜の頂部でより大きくなる底部エリアでの粒子が小さくなる微細構造をもたらすものと判定されている。他方では、ＢＴＲとＦＲＴとの双方がほとんど同時に降下することは、Ｓｔｉｆｆｌｅｒによって最初に観察されたように（さらに、均一なＴＦＴを作成するためにはほとんど最適であると期待されているように）、セグメントＳｉ微細構造の形成には必要な（しかし十分ではない）条件である。
【００８８】
一般に、異質核生成は、膜の底部界面でだけ発生すると理解されている。前面側ＴＲの降下は、膜の頂部界面での（すなわち、表面で／表面近くで）核生成の開始に対応する。次に、膜の両側での核生成の同時開始（前面側と背面側の双方でのＴＲでの同時効果がその証拠である）の結果、ほぼ二倍の潜熱が膜に戻ってきて、したがって、欠陥コア領域の再融解／再凝固がより効果的／広範囲になる。表面での／近くでの核生成には、界面の存在が必要である。このような界面は、例えば、（自然の）酸化物を持ち得る。このような酸化物膜は、照射に先立って存在し得るまたは酸素が存在する照射中に形成され得る。雰囲気に依存して、核生成用の適切な界面の形成をもたらし得る他の表面反応が発生する可能性もある。さらにその上、このような頂部層なしで（すなわち、自然の酸化物を除去して）さらに、照射中でのこのような頂部層の形成能力なしで（例えば、真空中での照射によって）、核形成が実際まったく発生せず、Ｓｔｆｆｌｅｒが観察したようなセグメントＳｉが形成されなかったことが発見されている。最終的に、比較的低エネルギー密度で照射された一部のサンプルでは、同時のＴＲ信号降下は観察されなかったが、それでもＳｔｉｆｆｌｅｒのセグメントＳｉは観察された。現在では、これは、頂部界面での核生成で形成された固体の完全な再融解の結果であり得ると信じられている。加えて、１００ｎｍ未満の膜厚でもまた、同時ＴＲ降下が見られ得るが、しかしながら、膜の体積中での潜熱の量は、欠陥コア領域のより効果的／広範囲の再融解／再凝固を結果としてもたらすには不十分であるように思われる。
【００８９】
図１０Ａおよび１０Ｂは、最近のＴＲ研究の結果を示す。図１０Ａは、真空中で表面酸化物なしでのガラス基板上の１５０ｎｍのＳｉに対するＦＴＲおよびＢＴＲを示す。グラフ１４００中の底部ラインは、膜が経験した照射である。上のラインは、異なるＣＭＴ値に対する反射率の値である。図１０Ａのｘ軸は、ナノ秒単位の時間であり、ｙ軸は、反射率の正規化された値である。図１０Ｂは、１０Ｂが空気中での結果を示す以外は図１０Ａに類似している。図１０Ｂは、ＦＴＲ信号がＢＴＲに同時に降下し始めるように見える１．３８ＣＭＴのエネルギー密度でのＦＴＲの降下前にＢＴＲ信号が降下する（レーザ信号の上のグラフ中の底部に位置する一連の信号）ことを示している。したがって、非真空シナリオでさえ、セグメントＳｉ部再構造を得るためには、より高いエネルギーが必要である。図１０Ａおよび１０Ｂに示すように、固体と液体との間での反射率の相違は、非常に大きいため、固体から液体へのおよびその逆への変換の開始は、ＴＲデータから区別することができる。異質核生成は、ＦＴＲとＢＴＲ双方のデータおよび結果として得られる微細構造（図１１Ｂに示す）を考慮して推測することができる。図１１Ａは、１．３２ＣＭＴ１５００での空気中でと、１．４ＣＭＴ１５１０での真空中での２００ｎｍでのＳｉ膜のナノ秒単位の時間（ｘ軸）対正規化された反射率値（ｙ軸）のグラフを示す。図１１Ｂは、空気環境下で得られた微細構造の画像である。図１１Ｃは、真空環境下で得られた微細構造の画像である。２つの図から分かるように、図１１Ｂは、膜の厚さ１５２０全体にわたるより大きい結晶を示す。図１１Ｃは、膜表面近くでの良好な結晶品質を示しているが、基板１５４０との界面近くでは劣る小さい結晶がある。したがって、真の３ＤセグメントＳｉは、表面での反応が発生して、表面と底部界面での異質核生成の酸化物層を形成することができる空気中で得られるが、異質核生成が底部界面でしか発生し得ない真空中では得られないことが分かる。
【００９０】
本方法は、底部ゲートＴＦＴの製造には特に関連するものであるが、それは、小粒子Ｓｉを製造する他の多くの方法（堆積技法を含む）とは異なって、底部での／近くでの結晶が低欠陥密度およびより大きいサイズを有するからである。したがって、一般的な底部ゲートＬＴＰＳＴＦＴは、低移動度および、多分、高漏洩電流という問題がある。底部ゲートＴＦＴの製造には、Ｓｉ膜の下にある、そして絶縁層（ゲート誘電体）でそれから分離されているパターン化された金属膜（ゲート）の形成を必要とする。レーザ照射中、このような金属膜は、ヒートシンクとして作用し、その結果、ローカルの完全融解しきい値（ＣＭＴ）エネルギー密度がずれることになる。セグメントＳｉ形成の条件は、このローカルなＣＭＴのずれが考慮されている場合には同じのままであることが分かっている。例えば、１００ｎｍ厚さの酸化膜でシリコン膜から分離されている１００ｎｍ厚さの金属の場合、完全融解しきい値のずれは、一般的には１５％〜２０％以上であり得る。セグメントＳｉ形成のための１つの条件は、したがって、ローカルＣＭＴの１．３〜１．４倍よりも大きいエネルギー密度で照射することである。エネルギー密度が高すぎて、凝集または溶発によって熱シンクを有しない周囲の膜を損傷しないように注意しなければならない。例えば、１００ｎｍの金属ゲート上の頂部の１００ｎｍ厚さの酸化物の頂部の１００ｎｍ厚さの膜の場合、この膜は、膜の損傷しきい値未満である、ローカルな完全融解しきい値の１．４倍または周囲膜の完全融解しきい値の約１．６１〜１．６８倍が照射される。
【００９１】
Ｓｔｉｆｆｌｅｒが用いた実験条件は、本プロセスの条件とは幾分区別可能である。Ｓｔｉｆｆｌｅｒは、より短いレーザパルス（開示されている約８０ｎｓに対して３０ｎｍ）を用い、また、より熱導電性の基板、すなわちＳＯＩ（Ｓｉ基板上の薄い２５０ｎｍのＳｉＯ２上のＳｉ膜）またはＳｉオンサファイアを用いた。一般に、同質核生成には、非常に迅速な急冷却を必要とする。ガラス基板およびより長いパルスを含む、ここで開示するプロセスの条件の結果、余り迅速でない急冷却となり、したがって、同質核生成の可能性が減少して、異質核生成の可能性が増す。Ｓｔｉｆｆｌｅｒが用いた酸化物厚さは、迅速な冷却を回避するには十分ではない。したがって、ガラス基板は、Ｓｔｉｆｆｌｅｒの構成よりもはるかに遅く冷却する。このように、本方法は、Ｓｔｉｆｆｌｅｒ材料が発生事象の正確な理解によって得られ得る有用で、実用的な条件を実現する。
【００９２】
本開示の実施形態に従って作成されたサンプルは、ＳｉＯ２で被覆されたガラス、石英、（またはさらに酸化Ｓｉウエハ）上の１００〜３００ｎｍのＳｉ膜を含んでいた。エキシマレーザベースのシステム（３０８ｎｍ）を用いて、様々なパルス持続時間（３０〜２５０ｎ秒ＦＷＨＭ）およびエネルギー密度で膜を照射した。前面側および背面側の過渡反射率測定を用いて、現地分析を実施した。照射された材料の特徴付けは、ＴＥＭを用いて実行された。Ｙｉｋａｎｇによる「Ｖａｃｕｕｍ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  Ｕｐｄａｔｅ：  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ」（２００９年９月２日）も参照のこと。
【００９３】
実施例
大直径ＴＶの場合、画素ピッチは６６０μｍであり得る。６００Ｈｚレーザでは、走査速度は、したがって、約４０ｃｍ／秒であり得る。このような条件は、６０％の光学的効率を仮定して、約６４０ｍＪ／ｃｍ２の１００μｍ×７５ｃｍ形状の０．８Ｊパルスを用いて達成され得る。次に、４管レーザを用いて、完全結晶化に到達するために５つの重なり合った走査を必要とする。２．２×２．５ｍ２パネルの場合、結晶化時間は、そのときの３つの平行走査×（２５０ｃｍ／４０ｃｍ／秒）×５つの重なり走査＝９３．７５秒となる。５秒の加速／減速時間、平行走査間の１０秒間の時間、および６０秒の搬入時間および搬出時間が必要となる。すると、プロセスの合計時間は約９５＋５×５＋２×１０＋６０＝２００ｎ秒となる。より控えめには、５分というプロセス時間を推定できる。すると、それは、６０／５×２４×３０＝約８．５ｋパネル／月に等しい。
【００９４】
従来の２０ショット、すなわち、膜の単位面積当たり２０発のレーザパルスのＥＬＡプロセスは、４００μｍ×７５ｃｍビームを得るためには４つのレーザ管を同時にトリガーする必要があり得る。２０ショットの場合、走査速度は、したがって、１．２ｃｍ／秒であり、結晶化時間は３×（２５０／１．２）＝６２５秒となり得る。プロセスの合計時間は、加速／減速時間を無視すれば、６２５＋２×１０＋６０＝７０５秒となる。より控えめには、１２．５分プロセス時間を推測可能であり、すると、処理能力は約３．４ｋパネル／月となる。
【００９５】
本発明の例を図示して説明したが、様々な変更および修正が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることが当業者には容易に明らかであろう。例として、薄膜を選択された方向に進行させることは、レーザビームを静止させ、膜をレーザ源とに対して移動させることによって、および膜が静止していてビームが移動している実施形態によって、遂行できることを理解されるであろう。
【００９６】
薄膜用の改良型エキシマレーザアニーリング法
本開示の１つの態様は、増加した実効結晶化速度で大型ディスプレイ用のＳｉ膜を結晶化することができる新世代のレーザ結晶化方式に関する。本開示のこの態様で提示されている特定のスキームは、先端的エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）方法と呼ばれ、それは、大型の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ＴＶ（例えば、５５インチＴＶ）を製造するように容易に構成することができる。ＥＬＡにおけるように、ＡＥＬＡは、ほとんど、部分／近完全融解状態ベースの結晶化方式であるが、しかしながら、それは、実際には、同じレーザ源を利用する従来のＥＬＡ技法よりも１桁以上の実効結晶化速度の増加を達成することができる。ＡＥＬＡは、目的とする領域、例えば画素列が、複数回の走査で、レーザビームの均一なシルクハット部分を持つ、すなわちビームエッジエリアを回避する、走査当たり単一ショットで照射される選択エリア結晶化方法である。いくつかの実施形態では、複数の画素列が走査当たり１つのショットで照射される。他の実施形態では、画素の一部分だけ、すなわち薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）またはコンデンサだけに、一回の走査で各々のショットが照射される。
【００９７】
説明したこのＡＥＬＡ方法は、同じレーザ源を用いる従来のＥＬＡ方法から期待することができる速度と比較して実効的な結晶化速度の増加をもたらすことができる。ＡＥＬＡは、これを主として、（１）ほとんどビームエッジエリアを回避することによって、さらに個々のパルスのショットごとの最適化を実行することによって達成される、膜を均一に結晶化するために必要とされるパルス数を潜在的にかなり減少させること、（２）画素のほんの一部しか必要としないために結晶化面積が潜在的に減少すること、および（３）レーザパルスの位置制御式発射モードを用いて一定で、高速ベースの連続走査によるレーザ出力の効果的な送達の結果として達成することができる。
【００９８】
ＯＬＥＤＴＶは、平坦パネルディスプレイ産業用に新しい製品という実質的なカテゴリを表す。（Ｄ．Ｋ．Ｆｌａｔｔｅｒｙ、Ｃ．Ｒ．Ｆｉｎｃｈｅｒ、Ｄ．Ｌ．ＬｅＣｌｏｕｘ、Ｍ．Ｂ．Ｏ’ＲｅｇａｎおよびＪ．Ｓ．ＲｉｃｈａｒｄのＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ、（２７）（２０１１年）８ページ）。この機会はまた、偶然にも、様々なＴＦＴ技術を再検査して評価することを要求するものである。長期にわたって確立され、優勢なＳｉ：ＨＴＦＴは、低い電界効果移動度およびデバイス安定性による問題点のため応用には完全には適していないと見なされていて、その結果として、よりＯＬＥＤに適した背面パネル技術が応用されることが求められている。背面パネル技術とは、平坦パネルディスプレイ用のトランジスタおよびコンデンサを作成すために用いられる技術のことである。
【００９９】
このエキシマレーザ結晶化ベースの低温結晶Ｓｉ（ＬＴＰＳ）ＴＦＴ技術は、特に製造優先ＥＬＡ方法という形態では、その業務に対する明らかな候補であると認定することができる。（Ｔ．ＳａｍｅｓｈｉｍａおよびＳ．ＵｓｕｉによるＭＲＳシンポジウムの議事録７１（１９８６年）４３５ページ、Ｊ．Ｓ．Ｉｍ、Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ、およびＭ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎによる応用物理研究所文献６３（１９９３年）１９６９ページ、Ｓ．Ｄ．Ｂｒｏｔｈｅｒｔｏｎによる半導体化学技術１０（１９９５年）７２１ページ、Ｓ．ＵｃｈｉｋｏｇａおよびＮ．Ｉｂａｒａｋｉによる薄い固体膜３８３（２００１年）１９ページ）。実際には、従来のＥＬＡ方法は、一般的にＯＬＥＤディスプレイ、特に大型ＯＬＥＤＴＶには適さないとして長年にわたって繰り返し批判され、排除されてきた。この目的のため、金属酸化物ＴＦＴおよび固相ベースの結晶化技法は、代替の、そして有望な「非レーザ」背面技術の候補として積極的に追及されてきた（またされている）。（Ｊ．Ｋ．Ｊｅｏｎｇによる半導体科学技術２６（２０１１年）０３４００８ページ、Ｃ．Ｓｐｉｎｅｌｌａ、Ｓ．Ｌｏｍｂａｒｄｏ、Ｆ．Ｐｒｉｏｌｏ、日本応用物理学会８４（１９９８年）５３８３ページ、Ｊ．Ｈ．Ｃｈｏｉ、Ｄ．Ｙ．Ｋｉｍ、Ｓ．Ｊ．Ｐａｒｋ、Ｂ．Ｋ．Ｃｈｏｏ、およびＪ．Ｊａｎｇによる薄い固体膜４２７（２００３年）２８９ページ）。
【０１００】
ＯＬＥＤディスプレイ用ＥＬＡに対して前から指摘されていた技術的問題点および問題は、大幅に解消されたものと認識することができる。これがその通りあるということは、携帯電話およびタブレット用の高解像度ＯＬＥＤ画面の高歩留り大量生産のＥＬＡ技術の示された成句から部分的に結論付けることができる。ＥＬＡ技術の残る問題点は、結晶化の実効速度（これは、少なくとも大型ＯＬＥＤＴＶに応用するのに望まれるよりはるかに低い）に関する。これは、基板パネルの単位面積が処理される速度であり、それは結局、本方法を用いることに関連付けられるプロセス処理能力、システムの月毎能力、および投資と操業との経費を決めが、これらはすべてが、技法の製造競合力を決定する際にかなり目立つ重要な要因である。結晶化の「電力ごと」速度のかなりの増加は、この方式をはるかに強力なものとするという点で大いに役立つ。
【０１０１】
本開示のＡＥＬＡ方法およびシステムは、実効結晶化速度を、（１）ＯＬＥＤＴＶ応用と関連付けられる具体的な技術的要件を認識して利用すること、（２）ＥＬＡ方法がますます高度の効率的なものとなることを妨げるＥＬＡ問題（すなわち、「エッジ」問題）を特定して解消すること、および（３）上記の考慮を満たすような様式でレーザ出力の効果的な送達を許容する様々な証明済みの技術的要素を構成して実装すること、によってかなり増加させる。
【０１０２】
ＯＬＥＤＴＶおよびＥＬＡ
ＯＬＥＤＴＶ用に最適化された背面パネル技術を開発する際に心にとどめておくべき１つの一般的なポイントは、一般に、ＴＦＴの実効チャネル移動度が、高解像度携帯式ディスプレイ（しばしばドライバと他の回路とが組み込まれている）を作成するために必要とされるそれらよりもはるかに低くなり得ることである。（Ｊ．Ｓ．ＩＭおよびＲ．Ｓ．ＳｐｏｓｉｌｉによるＭＲＳＢｕｌｌ．２１第３号（１９９６年）３９ページ）。より低い移動度のデバイスはＯＬＥＤＴＶ用に容認可能であるが、それは、これらのＴＦＴの主要な目的が、ＯＬＥＤの画素素子を均一に駆動するために必要とされる電流関係の要件を満足させることであるからである。
【０１０３】
低減移動度ＴＦＴに対するこの許容性は、ＥＬＡ方法の実効結晶化速度を増加させる機会であると見なすべきである。（Ｆ．Ｓｉｍｏｎ、Ｊ．Ｂｒｕｎｅ、およびＬ．ＨｅｒｂｓｔによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ２５２（２００６年）４４０２ページ）。（全基板上のエリアを処理するために約２０ショットが施される）従来のＥＬＡ方式の比較的低い結晶化／出力効率の主たる理由の一つは、これらの２０ショットほどが、移動式ＬＴＰＳベースのディスプレイのために必要とされる高移動度ＴＦＴの製造を可能とするためには、結果として得られる粒子のサイズと品質との双方を増すために必要であるということである。（Ｆ．Ｓｉｍｏｎ、Ｊ．Ｂｒｕｎｅ、およびＬ．ＨｅｒｂｓｔによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２５２（２００６年）４４０２ページ）。この要件はＯＬＥＤＴＶの場合には軽減することができるため、より低い、しかし十分な性能水準で機能するＴＦＴを作成するために必要とされるレーザショットの数をかなり減少させることが可能である。
【０１０４】
大型ＯＬＥＤＴＶのレーザ結晶化のためのさらなる機会は、結晶化処理を必要とする領域（すなわち、多結晶Ｓｉを生成しなければならないエリア）に伴う幾何学的詳細に見出すことができる。例えば、図１２は、複数の画素列１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８を持つ薄膜１２００を示す。各々の画素列は、複数の、例えば３つの画素１２１０を含む。この例示の膜に示す各々の画素は、３つの部分、すなわち、ＴＦＴ領域１２１２、コンデンサ領域１２１４、およびＬＥＤ部分１２１４を有する。ＴＦＴ領域１２１２は、ＴＦＴが後で形成される膜１２００の領域である。以下により詳述するように、ＴＦＴ領域１２１４は、最も厳しい結晶的品質要件を有する。コンデンサ領域１２１４は、コンデンサが後で形成される領域である。以下により詳述するように、コンデンサ領域１２１４は、ＴＦＴ領域１２１２よりも厳しくない結晶品質要件を有する。ＬＥＤ部分１２１４は、ＬＥＤが形成されるがその領域で、全く結晶化される必要がない。図１２は、３つの領域を有する画素１２１０中の３つの領域を示しているが、一部の画素配列はたった２つの領域、すなわちＴＦＴ領域およびコンデンサ領域しか有しない。これらの実施形態では、ＬＥＤは、ＴＦＴおよびコンデンサの領域の頂部に形成される。以下に説明する方法は、いずれの構成も等しく適用される。膜１２００は、薄膜、例えばシリコンなどの半導体膜であり得る。膜１２００は、一般には、基板、例えばガラス上に堆積される。図１２はコンデンサ領域１２１４に隣接するＴＦＴ領域１２１２を示しているが、ＴＦＴ領域１２１２は、コンデンサ領域に当接する必要はなく、少し離間させることができる。さらに、図１２は画素、ＴＦＴ、およびコンデンサに関連して説明されているが、任意のデバイスを、膜の結晶化されたデバイス形成領域に形成することができる。
【０１０５】
図１２を参照すると、最初は比較的重要な寸法を持つ、膜の断片だけと、次に画素１２１０のエリアの断片だけとが処理を必要とし得ることに気付くであろう。（これは、ＯＬＥＤデバイスが底部放射構造または頂部放射構造を有しようと関係なく、また、ディスプレイが赤、緑、青（ＲＧＢ）または白のＯＬＥＤベースの構成を用いようが関係なく、次世代の超高密度（ＵＨＤ）解像度の場合にさえ当てはまり得る）。したがって、このような業績がレーザ出力を効率的に利用するような仕方で（すなわち、かなり減少した周波数での動作を必要としない仕方、または、プロセスにおける電力の多くを浪費する／無駄にする仕方で、そして双方とも第一に結晶化の速度および効率を増すという最初の目的を駄目にしかねないが）物理的に遂行可能であれば、結晶化を必要とする領域だけを結晶化することによって多くの結晶化時間および／またはレーザ出力を節約することができる。第二に、さらにそのうえ、画素ないで結晶化しなければならない総面積の一部だけが実際には、ＴＦＴ製造で用いられ、したがって、ＴＦＴに適した材料で構成する必要がある場合がそうであり、他の領域（その内部ではコンデンサが製造される）には、低品質多結晶材料で十分であるが、それは要件を満たすからである。このような場合、これらのコンデンサ領域を異なるように、そしてより少ないショットを用いてより電力効率的に結晶化する可能性を考慮することができる。
【０１０６】
不運にも、以下に検討するように、大型ＯＬＥＤＴＶに関連する前述の機会は、技術的に利用可能であって、従来のＥＬＡ方法の枠内でＥＬＡによって獲得されるようなものではない。本方法に以前では良好に役に立った（そして、偶然にも、常に望ましくて恩典があった）機器関連およびプロセス関連の進歩および最適化は、大型ＯＬＥＤディスプレイ用途固有の機会を完全に活用する可能性を本方法に付与することはない。
【０１０７】
ＥＬＡビームの立ち上がりでの結晶化
遅速走査ビームの立ち上がりで明示される結晶化関連の問題点は、究極的にその効率を制限する従来のＥＬＡプロセスの本質的な様相に対応する。ビームが平行移動されるにつれて、立ち上がりで第１のショット結晶化領域が生成されるが、その内部では、（１）非結晶質相と結晶化相（より高いエネルギー密度で発生する後続の照射中に異なるように結晶化する）との間に険しい境界が存在する、（２）超小粒状微細構造を持つがエリアが得られる（可能な最低のエネルギー密度で、融解仲介された爆発的結晶化を介して不可避的に圧倒的に結晶化されるエリアが存在するはずであるから）、（３）非均一な微細構造および表面形態を持つ結晶化された領域が不可避的に存在する（なぜなら、この領域はある範囲のエネルギー密度で照射されるから）が、それは、ビームエッジプロフィールは、明らかに均一ではないからである。（Ｊ．Ｓ．Ｉｍ、Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ、およびＭ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎによる応用物理研究所文献６３（１９９３年）１９６９ページ、Ｑ．Ｈｕ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｌｉ、Ｙ．Ｄｅｎｇ、Ｕ．Ｊ．Ｃｈｕｎｇ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｎｏｖ、Ａ．Ｍ．Ｃｈｉｔｕ、Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＪ．Ｓ．ＩｍによるＭＲＳシンポジウム議事録１３２１（２０１１年）１９７ページ）。図１３Ａは、ＥＬＡを通じて処理された薄膜の図である。図示するように、ＥＬＡ膜は周期的な非均一性を有する。領域１３００は、均一な粒子サイズ、例えば３０８ｎｍを持つ規則的粒子１３０２を有する膜の高度に規則的な部分を表す。しかしながら、ＥＬＡ膜は、高度に規則的な領域１３００間の周期的非均一性１３０４を有する。
【０１０８】
前述の要因の結果として、（ショット間のステップ距離を増すことによって）その実効結晶化速度を対応して増加させるためにＥＬＡプロセスショット数を単に減少させる可能性は、完全には利用することは不可能である。所与のビームプロフィールに対してショット数を減少させることは、不可避的に、周期的に現れるますます非均一になる領域の物理的な存在を大きくすることになり、一方、ショット数を単に減少させることによって、（いまだ十分な平均移動度値を持つＴＦＴを生成するために）より小さい平均粒子サイズを持つ材料を得ることは些細なことであるとはいえ、それは、努力が成功可能な程度を究極的に制限する立ち上がりで（融解仲介の結晶化動力学と関連付けられる基本の結果として）より厳しく現れる随伴の微細構造非均一性問題である。（Ｊ．Ｓ．Ｉｍ、Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ、およびＭ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎによる応答物理研究所文献６３（１９９３年）１９６９ページ、Ｑ．Ｈｕ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｌｉ、Ｙ．Ｄｅｎｇ、Ｕ．Ｊ．Ｃｈｕｎｇ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｏｖ、Ａ．Ｍ．Ｃｈｉｔｕ、Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＪ．Ｓ．ＩｍによるＭＲＳシンポジウム議事録１３２１（２０１１年）１９７ページ）。
【０１０９】
エッジ問題が従来のＥＬＡ方法の本質的で不可避な特徴に対応する（したがって、悪い特徴を持つレーザおよびビームによって引き起こされた様々な非均一性に大いに起因して発生するしばしば言及されるＥＬＡ問題点とは実際には同一ではない）範囲を認識する１つの方法は、プロセスが「完全な」ＥＬＡシステムを用いて実行されているところを想像することである。（１）パルス間の変動がゼロのレーザおよび（２）完全に均一で正確に形状化された空間プロフィールを持つ入射ビームを作成する光学構成要素から成るシステムを考えてみると、理想的な仕様の集合を持つこのような想像上のシステムは、エッジ問題点を解消することは不可能である。（エッジプロフィールの傾斜を軽減することによる状況の部分的改善は、エネルギー的に無料ではなく、また、上述した位相境界および爆発的結晶化の要因を解消しないことに留意されたい）。従来のＥＬＡ方法は、実質的に表示エリア全体を「全面的」結晶化するように構成され、開発されているため、画素／サブ画素水準での選択的かつ面積減少した結晶化を実施するといういかなる可能性も、単に、従来のＥＬＡ方法によって考慮することができるオプションではない。
【０１１０】
改良型ＥＬＡ方法：技術的要素
上述のように、従来のＥＬＡ方法は、長く狭いシルクハット形状ビーム、すなわち高いアスペクト比を持ち、膜に対して膜上で低速での長さに対して直角なビームを変換することによって、Ｓｉ膜を結晶化する。このビームはゆっくりと走査され、それにより、それがビーム（プロセスで約２０ショットを送達する）の幅の均一なシルクハット部分の約９５パーセントと重なって、ビームによって走査された基板のエリア全体を完全に結晶化するようにする。（高度の微細構造均一性を要求する厳しい用途（例えば、ＯＬＥＤディスプレイは、しばしばさらにより高いショット数を必要とし得る）。ＡＥＬＡ方法では、本方法を差分化する次の技術的基本が、画素内の事前選択された領域の複数パルスによる照射を可能としながらも、エネルギー的および時間的に効率的にビームのエッジエリアをディスプレイの重要でない部分に移すために、組み込まれて、利用される。
【０１１１】
位置制御式照射
ＡＥＬＡ方法の基本的技術的要素のうちの１つは、膜の位置制御式結晶化に対応する。図１４Ａは、本開示の実施形態に関わる、各々の画素が結晶化されるエリア１４２６〜１４３６を有する、列１４２０〜１４２４に配置された複数の画素１４０４〜１４１８を有する膜１４０２上のシルクハット形状ビーム１４００の走査の図である。図１４Ａに示すように、本明細書中での基本的考えは、エッジエリアがレイアウトの重要でない部分に位置付けられた状態で、シルクハットビームの均一な部分を用いて画素の列の重要なエリアを処理するのに十分狭いエッジを持つ適切にシルクハット形状化されたビームを用いることである。この図は、どのようにシルクハット形状ビーム１４００を（上述のように）を用いて、画素１４２２の列を「一様面」照射するかを示す。ビーム１４００は、一定の高速で移動しながら、画素１４０４〜１４１８内の結晶化されるエリア１４２６〜１４３６を照射する。次のショット１４４６は、結晶化される次の列１４２４と一致するように位置制御方式でトリガーされて、これを照射する。位置制御はまた、シルクハット形状ビーム１４００のエッジ領域が目的とするエリア１４２６〜１４３６の外側にくる、すなわち、目的とするエリア１４２６〜１４３６が、シルクハットビーム１４００の均一な部分だけで照射されることを保証する。さらに、目的とする各々のエリア１４２６〜１４３６は、走査当たり１回照射される、すなわち１ショット走査である。本明細書で用いられる「ショット」とは、膜を持つ領域の照射のことである。「走査」は、膜の目的とする領域の連続する「ショット」のシーケンスを通じて膜全体を処理することである。
【０１１２】
シルクハットビーム１４００は、レーザを用いて生成されたラインビームであり得る。ビーム１４００は、結晶化されるエリア１４２６〜１４３６の幅および膜の画素ピッチ（ピッチの間隔）次第で約５ミクロン〜約１００ミクロンの幅を有し得る。いくつかの実施形態では、ビームの幅は、所望の照射スキーム次第で、１つの画素の幅（例えば、ＴＦＴまたはコンデンサの幅）よりも小さく、１つの画素幅よりも大きく２つの画素よりも小さく、または２つの画素の幅よりも大きくサイズ決めすることができる。ビームは、エッジ領域を最小化し、均一なシルクハット部分を最大化するように、光学系を用いてトリミングすることができる。（上の図５Ｂと比較して）図１４Ｃに見るように、当業者には周知のビームトリミング技法を用いて、ビーム１４５０は、均一領域１４５２が最大化され、エッジ領域１４５４，１４５６が最小化されるようにトリミングすることができる。このようなトリミングはまた、膜の結晶化しきい値１４５８の上にあるエッジ領域の幅を減少させることによって、結晶化を結果としてもたらすエッジ領域の減少を実行することができる。したがって、膜の小部分だけが、ビームの非均一エッジ領域で融解して、結晶化する。
【０１１３】
結晶化されるエリア１４２６〜１４３６は、画素全体、画素内のＴＦＴ、画素内のコンデンサ、画素と画素内のコンデンサとの双方、または複数の画素列であり得る（以下に検討する）。
【０１１４】
図１４Ｂは、本開示の実施形態に関わる、薄膜１４０２上でのビーム１４００の平行移動を示す略図である。目的とするエリアを最適に結晶化するためには複数のパルスが必要であり、膜の各々の走査は、目的とする各々のエリアに単一のショットを送達するだけであるため、目的とするエリアを最適に結晶化するためには、複数の前後方向走査が必要である。したがって、図１４Ｂに示すように、第１の走査１４０５が１つの方向で実施される。１つの第１の走査１４０５が完了すると、膜の移動方向が逆転され、第２の走査１４６０が反対方向で実施される。この方法は、目的とする各々のエリアが、必要とされる品質に応じて必須の回数、例えば２〜１０回だけ処理されるまで繰り返す。例えば、ＴＦＴの場合、ＴＦＴの目的とするエリアは、４〜１０回だけ処理され得る。コンデンサの場合、目的とするエリアは、２〜４回だけ処理され得る。いくつかの実施形態では、走査の完了後、膜はその開始位置に戻され、膜は、逆方向ではなくて、第１の走査と同じ方向に再度走査される。
【０１１５】
一定の高速での連続的走査
互いから物理的に離間し得る領域を位置制御様式で照射することは、ビームを正確に位置付けし、領域を照射し、次に、照射される次の領域に歩進し、このサイクルを繰り返すことによってもっとも簡単に実行することができる。しかしながら、このソリューションは、途方もなく、そして容認不可能な量の時間が単にビーム／ステージをパルス間で加速して減速するのに無駄使いされることになる。第２のＡＥＬＡ要素は、ビームまたはサンプルを非常に高い平行移動速度（レーザパルス周波数および照射される隣接する領域の幾何学的形状によって指示されるような速度）で連続的に、かつ一定に移動させながら結晶化を要する領域を照射し、ステージ位置制御式レーザパルス発射能力を用いて、必要とされる空間的制度の水準を持つビームを送達することによって、このような状況を回避することに関するが、これで、サンプル平行移動速度のあらゆる変動が回避される。
【０１１６】
複数の走査による複数ショット処理
満足すべき性能水準を提供する多結晶Ｓｉ膜を生成するために、複数のショットで結晶以下領域を一様面照射することが最も必要である。（これは、少なくとも初期には当てはまるはずであるが、結局そして究極的には、完全融解結晶化（ＣＭＣ）（Ｙ．Ｄｅｎｇ、Ｑ．Ｈｕ、Ｕ．Ｊ．Ｃｈｕｎｇ、Ａ．Ｍ．Ｃｈｉｔｕ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｎｏｖ、およびＪ．Ｓ．ＩｍによるＭＲＳシンポジウム議事録１２４５（２０１０年）２５７ページ）または一時的に修正された／引き伸ばされたパルスを用いる部分融解結晶化（ＰＭＣ）（Ｑ．Ｈｕ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｔ．Ｌｉ、Ｙ．Ｄｅｎｇ、Ｕ．Ｊ．Ｃｈｕｎｇ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｎｏｖ、Ａ．Ｍ．Ｃｈｉｔｕ、Ｍ．Ｏ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＪ．Ｓ．ＩｍによるＭＲＳシンポジウム１３２１（２０１１年）１９７ページ）などの単一ショットベースの結晶化技法を用いる可能性を予測さえすることができる。ＡＥＬＡ方法、少なくとも大型ＯＬＥＤＴＶの第３の要素は、上記の技術的要素を実施しながら領域の複数走査（図１４Ｂを参照）によってこの複数ショット要件を、必要な数のショットが事前選択された領域に送達されるまで、管理することである。空間的に非均一なビームを用いて処理された結晶化材料の均一性を改善するために実施することができる１つの有用な結晶化のオプションは、領域がビーム内の高温（または低温）スポットで繰り返して照射されることを防止するために、図７に示す（ビームが走査間でディスプレイの外側になる間に）ラインビーム平行方向および（画素列の照射中に）直交方向でビームの制限された平行移動／再位置付けを意図的に導入することに対応する。
【０１１７】
ＡＥＬＡ膜
図１５Ａは、先端的エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）処理された膜の粒子構造の図である。ＡＥＬＡ処理された膜１５００は、結晶粒子１５０２のランダムだが均一な微細構造を有する。ＡＥＬＡ処理された膜は、図および画像の双方で示すように、規則的で、均一で、等軸で、等方性の粒子パターンを有する。等軸の結晶とは、ほぼ同じの長さの軸を有する結晶のことである。等しい軸長の結晶は、滑動するより多くのプランを有し、したがって、より高い強度および展性を有する。
【０１１８】
連続発射による走査ごと複数ショット
上述のように、複数の管が用いられる高出力レーザの場合、各々の走査中に、潜在的には最大でレーザ中の管の数だけの複数のショットを投入することができる。走査中に複数ショット照射領域に対して発射される数は、各々の管が十分に長くかつ広いビームを生成するのに十分なエネルギーを持つパルスを生成できる限り、システム中のレーザ管の数ほどにもなり得る。このことは、ビームがサンプルに対して迅速に移動するにつれて、連続してかつ迅速に管を非同時に発射することによって簡単に実行することができるが、パルス間での短くかつ正確に制御された時間間隔（数十マイクロ秒の範囲）は、これらの連続ショット間でのむしろ些少な平行移動が発生し、それによって非常に高いＡＥＬＡ平行移動速度でさえも照射エリアの複数ショット処理をもたらすことを意味する。膜／基板の温度の微小な上昇から発生するいかなる潜在的問題点も、後続のパルスのエネルギー密度を適当に調整することによって対処することができる。最適に実施されたとき、この連続発射オプションは、（１）複数管ベースのレーザシステムから生成される途方もない量の出力の効果的な利用を許容すること、（２）必要な走査回数を減少させる（それにより、各々の走査後のステージの減速および加速と関連付けられる「無駄な」時間の総量を減少させる）ことによって全体的プロセス時間を減少させること、および（３）サンプル平行移動速度を減少させて、正確運動制御タスクをそれだけはるかに管理可能なものとすること、ができる。パルス間での正確に制御された時間間隔を持つ複数のレーザ管を連続して発射する能力はまた、互いから等距離ではないかもしれない個別のかつ繰り返す領域の（走査中での）単一ショット照射でも有用であり得る。以下に検討するように、連続発射を用いて、差分結晶化を達成することができる。
【０１１９】
複数の画素の照射
ディスプレイとＡＥＬＡシステムとに関連の要因の特定の組み合わせ次第では、２つ以上の列の画素を各々のショットごとに処理することが有利であり得る。これは特に、それだけではないが、画素の寸法がビームの幅と比較して小さいときに当てはまる。ここでは、複数画素の領域を、各々のショットで処理することが可能であり、かつ平行移動速度は、それが、ショットごとに１画素距離を歩進するまたは、比例してより高い速度でショットごとに複数画素の距離を歩進するように制御することができる。
【０１２０】
図１６は、本開示の実施形態に関わる、膜１６００の各々の照射が２つ以上の画素列をカバーする、列１６０２〜１６０６に配置された複数の画素１６０８〜１６３０を有する膜１６００上でのシルクハット形状ビーム１６０１の走査の図を示す。例えば、ビーム１６０１は、１つのショット１６３２で２つの画素列１６０２、１６０４を照射するように適切にサイズ決めされている。走査１６３４の第２のショットで、次の２つの画素列１６０５、１６０６を照射する。図１６は、２つの画素列全体の照射を示すが、各々の列の画素全体の代わりに複数の画素列の部分を照射するように、位置制御ビーム１６０１のサイズおよび位置を決め、膜１６００を移動させることができるか、または、３つ、４つ、５つまたは以上の画素列を１つのショットで照射することができる。また、結晶化されるエリアの幾何学的詳細に従って最適に形状化および位置付けされた複数のビームを用いて、複数の画素を同時に出力効率的に照射することを考慮することが可能である。
【０１２１】
ＡＥＬＡ方法の恩典
上述のＡＥＬＡの技術的要因を利用して、従来のＥＬＡ方式からの方法を肯定的にかつ柔軟に差分化することができる。その一部を以下に列挙するこれらの新しい能力を活用して最適化することは、究極には、同一のレーザ源を用いる従来のＥＬＡ方法のそれと比較して全体的な結晶化速度のかなりの増加をもたらし得る。
【０１２２】
ショット数の軽減
ＡＥＬＡ方法と関連付けられる主要な恩典のうちの一つは、その位置制御照射能力によって、デバイスは、問題となるエッジ領域を、単にそれらをディスプレイの利用されないまたはよりデバイスにとって重要ではないエリアに移すことによって、完全に回避することができる。この解決法は、従来のＥＬＡ方法が「より低い移動度」の機会を利用することを妨げる性能と均一生徒の相互関連性を完全に切り離す。ＡＥＬＡでは、かなり減少したショット数で、小さく（また、大きい）粒状で均一な多結晶膜を得ることが可能である。レーザとビームとに関連した特徴を改善するには限界があるが、単一ショットベースのＰＭＣ技法（Ｆ．Ｓｉｍｏｎ、Ｊ．Ｂｒｕｎｅ、およびＬ．ＨｅｒｂｓｔによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２５２（２００６年）４４０２ページ）または２ショットＡＥＬＡ技法を実施することが可能である。
【０１２３】
加えて、ＡＥＬＡプロセスのエネルギー密度シーケンス（すなわち、エネルギー密度対ショット数）は、もはや制限されず、ビームの空間的プロフィールおよび平行移動歩進距離によって決まる。その代わりに、ここでは照射パラメータ（例えば、エネルギー密度、パルス持続時間など）をショットごとに調整することを考慮することが可能である。この能力は、以前には手に入らなかった水準の柔軟性を与え、それで一般的にプロセスを最適化し、特にショット数を軽減する。ここでは、第１のパルスは、最も重要なショットであると特定することができる。それが、非結晶質膜を実際に結晶化するショットであり、そこでＳｉの３つの凝縮相すべてを伴う完全な融解と固化のシーケンスが遭遇し、遷移の詳細が、結果として得られる多結晶微細構造および表面形態を決定し、次にはこれらが後続の膜の展開に影響する。今や、高い値を含め、またとくにこの値では任意の入射エネルギー密度で膜を第１ショット照射することが可能であることは特に重要であり、これは、立ち上がりでの領域が常に、融解仲介の爆発的結晶化が極端に欠陥的な微細粒状材料の生成をもたらす、可能なより低い結晶化値で不可避的に第１ショット結晶化されるＥＬＡ方法とは対照的である。多結晶膜の部分的融解を取り扱うさらなるそして後続のショットもまた、最小数のパルスを用いて、十分な移動度、安定性、および漏洩電流の特徴を持つ均一なＴＦＴを生成する膜の迅速な生成を許容するようにさらに調整することができる。
【０１２４】
差分結晶化
ＡＥＬＡでは、画素エリア内の異なる領域を異なって結晶化し、それにより、基板を処理するのに必要な出力の総量をさらに減少させる（そしてプロセス中の実効結晶化速度を増す）可能性を考慮することもできる。例えば、図１２に示すように、一般的な画素構造は、コンデンサが占有している領域と、ＴＦＴが置かれる一般的にはより小さい領域とから成る。コンデンサが必要とする結晶化Ｓｉの微細構造的品質が一般にＴＦＴを作成するのに必要とされるそれよりも低いため、様々な技術的要素が適当に構成される場合およびされるときには、このようなエリアを処理するためのショットの数をかなりさらに減少させることから恩典を得ることが可能であり、また、実効結晶化速度をそれに釣り合って増加させることから恩典を得ることができる。
【０１２５】
図１７Ａは、本開示の実施形態に関わる、膜１７００の各々の照射が画素列１７３４〜１７５６の第１の部分をカバーする、列１７０２〜１７０８に配置された複数の画素１７１０〜１７３２を有する膜１７００上でのシルクハット形状ビーム１７０１の走査の図を示す。例えば、ビーム１７０１は、１つのショット１７６０で、画素列１７０２の第１の部分１７３４〜１７３８だけを照射するように適切にサイズ決めされている。走査の第２のショット１７６２は、第２の画素列１７６２の次の第１の部分１７４０〜１７４４を照射する。第３のショット１７６４は、第３の画素列１７０６の次の第１の部分１７４６〜１７５０を照射し、第４のショット１７０６は、第４の画素列１７０８の次の第１の部分１７５２〜１７５６を照射し、・・・、と、これが、画素列全部が照射されるまで続く。第１の部分１７３４〜１７５６は、第１の部分１７３４〜１７５６の所望の数の照射が発生するまで、後続の走査で照射することができる。
【０１２６】
図１７Ｂは、本開示の実施形態に関わる、膜１７００の各々の照射が画素列１７６８〜１７９０の第２の部分をカバーする、列１７０２〜１７０８に配置された複数の画素１７１０〜１７３２を有する膜１７００上でのシルクハット形状ビーム１７０１の走査の図を示す。例えば、ビーム１７９２は、１つのショット１７９３で、画素列１７０２の第３の部分１７６８〜１７７２だけを照射するように適切にサイズ決めされている。第２のショット１７９４は、第２の画素列１７０４の次の第２の部分１７７４〜１７７８を照射する。第３のショット１７９５は、第３の画素列１７０６の次の第２の部分１７８０〜１７８４を照射し、第４のショット１７９６は、第４の画素列１７０８の次の第２の部分１７８６〜１７９０を照射し、・・・、と、これが、画素列全部が照射されるまで続く。第２の部分１７６８〜１７９０は、第２の部分１７６８〜１７９０の所望の数の照射が発生するまで、後続の走査で照射することができる。
【０１２７】
一実施形態では、第１の部分１７３４〜１７５６は、ＴＦＴが後で形成される領域に対応する。この場合、第１の部分１７３４〜１７５６は、約４回〜約１０回の間で照射されて、第１の部分１７３４〜１７５６中に所望の結晶構造を生成する。第２の部分は、コンデンサが形成される領域に対応し得る。この場合、第２の部分１７６８〜１７９０は、１〜４回だけ照射されて、所望の結晶構造を達成することができる。
【０１２８】
図１８Ａは、本開示の実施形態に関わる、膜１８００の各々の照射が第１の画素列１８３４〜１８３８の第１の部分と、第２の画素列１８４０〜１８４４の第１の部分とをカバーして、複数画素列と差分結晶化を組み合わせる、列１８０２〜１８０８に配置された複数の画素１８１０〜１８３２を有する膜１８００上でのシルクハット形状ビーム１８０１の走査の図を示す。例えば、ビーム１８０１は、第１のショット１８０２で第１の画素列１８８４〜１８４４の第１の部分および第２の画素列１８４０〜１８４４の第１の部分と、第２のショット１８６３で第３の画素列および第４の画素列１８５２〜１８５６の第１の部分と、を照射するように適切にサイズ決めされている。第１の部分１８３４〜１８５６は、第１の部分１８３４〜１８５６の所望の数の照射が発生するまで、後続の走査で照射することができる。
【０１２９】
図１８Ｂは、本開示の実施形態に関わる、膜１８００の各々の照射が第１の画素列１８６４〜１８６８の第２の部分と、第２の画素列１８７０〜１８７４の第１の部分とをカバーして、複数画素列と差分結晶化を組み合わせる、列１８０２〜１８０８に配置された複数の画素１８１０〜１８３２を有する膜１８００上でのシルクハット形状ビーム１８７６の走査の図を示す。例えば、ビーム１８７６は、第１の画素列１８６４〜１８６８の第２の部分および第２の画素列１８７０〜１８７４の第１の部分に対して適切にサイズ決めされている。第２の部分１８６４〜１８６８は、第１の部分１８６４〜１８６８の所望の数の照射が発生するまで、後続の走査で照射することができる。加えて、第２の部分の残りは、ショット１８７８および１８８０を通じて結晶化される。
【０１３０】
一実施形態では、第１の部分は、ＴＦＴが後で形成される領域に対応し得る。この場合、第１の部分は、約４回〜約１０回の間で照射されて、第１の部分に所望の結晶構造を生成することができる。第２の部分は、コンデンサが形成される領域に対応し得る。この場合、第２の部分は１〜４回だけ照射されて、所望の結晶構造を達成することができる。
【０１３１】
図１９Ａは、本開示の実施形態に関わる、差分結晶化を用いる先端的エキシマレーザアニーリング（ＡＥＬＡ）処理された膜の粒子構造の図である。図１９Ａは、後でデバイス形成１９０２、１９０４するための、複数の結晶化エリアを有する膜１９００を示す。各々の結晶化領域１９０２、１９０４は、２つのサブ領域、すなわち、大きい粒子領域１９０８、１９１２と、小さい粒子領域１９０６、１９１０とを含む。双方の領域が、均一で、規則的で、等軸で、等方性の粒子パターンを有する。しかしながら、大きい粒子領域１９０８、１９１２は、小さい粒子領域１９０６、１９１０よりも多い回数だけ照射されているため、大きい粒子領域１９０８、１９１２は、小さい粒子領域１９０６、１９１０よりも大きい粒子を有する。したがって、ＴＦＴはより大きい粒子領域１９０８、１９１２で形成され、コンデンサはより小さい粒子領域１９０６、１９１０で形成される可能性が高い。
【０１３２】
図２０は、本開示の実施形態に関わる、差分結晶化のための、列に配置された複数の画素を有する膜上でのシルクハット形状ビームの走査の図である。図１０の方法では、膜２０００は、デバイス領域２００４〜２０１４を含む。各々のデバイス領域は、画素、トランジスタ、および／またはコンデンサなどの後のデバイスが形成される結晶化される領域に対応する。各々のデバイス領域２００４〜２０１４は、２つのサブ領域２０１６−２０３８を含む。第１のパルス２００２で、ビームは、サブ領域２０２０〜２０３０を照射する領域２０４０中の膜２０００を照射する。第２のパルス２０４２で、ビームは、サブ領域２０２８〜２０３８中の膜２０００を照射する。したがって、２つのパルスの後では、一部のサブ領域は２回２０２８、２０３０照射され、一方、他のサブ領域は、たった１回２０２０〜２０２６および２０３２〜２０３８照射される。したがって、このように膜全体を走査すると、１つの走査後、膜は、１回照射された一部の領域（コンデンサ形成用の小さい粒子領域）と、２回照射された一部の領域（ＴＦＴ形成用の大きい粒子領域）とを含み得る。さらに、膜の２つの走査が実施されると、一部の領域は２回照射され、一部の領域は４回照射される。
【０１３３】
差分結晶化は、１つのレーザを用いて、または、複数のレーザ／管を用いる連続発射技法で達成することができる。膜の平行移動速度およびレーザのエネルギーを制御することによって、連続発射を用いて、各々の領域が異なる結晶特徴を有する明確に異なるまたは重なる領域を生成することができる。したがって、連続発射を用いて、異なる結晶特性を持つ個別で明確に異なる領域を生成することができる、または、これを用いて、異なる結晶特性を持つ複数の重なる領域を生成することができる。例えば、連続発射を用い、また、第１のレーザ／管からの第１のパルスが第２のレーザ／管からの第２のパルスと重なるとき、結果得られる膜は、第１のパルスに対応する第１の結晶質領域と、第２のパルスに対応する第２の結晶質領域と、第１のパルスと第２のパルスとの間の重なりに対応する第３の結晶質領域とを有する。第１のパルス／ショットと第２のパルス／ショットとの間の重なりは、最小からほとんど完全な重なりまでの範囲に及び得る。さらに、複数走査を用いて、面積当たりの必要とされるショットを達成することができる。
【０１３４】
減少エリアの結晶化
ＡＥＬＡを用いて膜の減少したエリアの断片を結晶化するオプションおよび機会は、実効結晶化速度の増加させる経路を提示する。すでに暗示したように、これが可能であるのは、（１）画素が繰り返す周期的な様式で空間的に配置されており、（２）大型ＯＬＥＤＴＶ用の画素寸法がもはや極小ではなく、（３）画素エリアの断片だけを均一に結晶化することが可能であり、それで十分であり、（４）レーザ出力を、高い出力水準で動作しながらも無視可能な出力損失で、選択されたエリアだけにＡＥＬＡで分配することができる、からである。
【０１３５】
上に列挙した恩典から推測可能なように、従来のＥＬＡ方法の、確立され、長期にわたって洗練された形式とは離れることによって、少なくともＯＬＥＤＴＶの場合は、多くを獲得することができる。ＡＥＬＡ方法は、均一に結晶化する必要がある位置に対してだけ、最小数の均一形状化され、正確に調節されたビームパルスを送達することに関する。ＥＬＡに勝るＡＥＬＡ方法の主要な貢献は、その優越した生産性という点で純化することが可能であり、それは、同一のレーザを持つＥＬＡを用いて達成され得るよりも高い水準の生産性を送達することができる。
【０１３６】
ＡＥＬＡシステム
ＡＥＬＡ方法の１つの態様は、それを実現可能な方法と、方式および表示技術がさらに進化と共進化とが可能なさまざまな潜在的な方法と関連がある。ＡＥＬＡを実現するために必要な技術的要素および能力の多くは、すでに開発され、様々なＬＴＰＳ製造環境下で試験されている。（Ｆ．Ｓｉｍｏｎ、Ｊ．Ｂｒｕｎｅ、およびＬ．ＨｅｒｂｓｔによるＡｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ２５２（２００６年）４４０２ページ、Ｊ．Ｓ．Ｉｍ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｎｏｖ、Ｐ．Ｃ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｌｔ、Ｕ．Ｊ．Ｃｈｕｎｇ、Ａ．Ｍ．Ｃｈｉｔｕ、情報ディスプレイ９（２００７年）１４ページ）。この背景を考慮すると、第１世代のＡＥＬＡシステムを、従来のＥＬＡシステムで用いられるレーザおよび光学構成要素（約７５ｃｍの長さと数百ミクロンの幅とを持つシルクハット形状ビームを持つ）と、第４世代の製造連続横方向凝固（ＳＬＳ）システムで利用されている高速運動制御技術とを用いて構成し、開発することができる。正確な高速平行移動が可能なＳＬＳシステムで用いられる空気軸受線形モーターステージは、他の用途向けの大型基板を取り扱う目的で既に開発されており、第８世代の基板用にすでに利用可能である。重要な更なる要因は、ＡＥＬＡシステムが完全に後方互換性があって、それが直接的にＡＥＬＡシステムを用いて、ＥＬＡを実行する（基板内で選択的にまたは基板全体を処理する）ことである。この後方互換性は、この新しい方式を採用することに関連付けられるリスクを覆いに軽減するはずである。これらの要因は、長期化した初期開発／評価期間を本質的に解消し、ＡＥＬＡを新しい製造方法として容易に適合されることを可能とするはずである。最後に、ＡＥＬＡは、ほとんど、より高いエネルギー密度で膜を照射して、約１００〜２００ｃｍ２／Ｖ秒の範囲の高移動度ＴＦＴを作成するための均一で大粒状多結晶膜をも提供することによって最適化することができることに留意すべきであり、また、すでに述べた理由の結果として、ＥＬＡと比較してより高い実効結晶化速度／減少ショット数でこれを遂行することが可能であるはずである。ＡＥＬＡを通じてこのような高性能ＴＦＴが入手可能であるということは、このような高移動度ＴＦＴ（例えば、高輝度、高解像度、および高リフレッシュ速度のＬＣＤおよびＯＬＥＤディスプレイ）の利用可能性を必要とするまたはこれから恩典を得る任意の潜在的な製品および製造ロードマップのシナリオを、ＡＥＬＡによって完全に対応可能であるということを意味するが、現状では、金蔵−酸化物ＴＦＴ、直接堆積、または個相結晶化の技法を利用する方式を含む基本的に全ての他の「非レーザ」方式は、おそらく、これらの高移動度ＴＦＴを必要とするロードマップシナリオにあまり容易には対応することは不可能である。全体的に、上に列挙した全ての様々な要因は、長期化した初期開発／評価期間を本質的に解消する助けとなり、ＡＥＬＡを新しい製造方法として容易に実施することを可能とするはずである。
【０１３７】
例えば、図２１は、例示のＡＥＬＡシステムを示す。図２１は、たった１つのエキシマレーザ１１０を用いる以外は図３Ａに示す非周期ＥＬＡに用いられるのと実質的に類似したシステムを示す。いくつかの実施形態では、ステージ１８０は、高速運動制御式ＳＬＳステージである。
【０１３８】
一般に、膜自体は、結晶化中に移動することを必要とされないが、レーザビームまたはレーザビーム形状を画定するマスクは、照射領域および膜を相対的に移動させる代わりに膜を横切って走査することができる。しかしながら、レーザビームに対して膜を移動させることは、各々の後続の照射事象中でレーザビームの改善された均一性を提供することができる。
【０１３９】
すでに利用可能なものを活用することによって一旦開始されると、ＡＥＬＡ方法は、さらに遂行可能なものを活用することによって進行の勢いを保持することができるはずである。これは、ＡＥＬＡおよびディスプレイと関連する細目の様々な態様を最適化することを伴い得る。ここで、どのようにして（１）結晶化された微細構造／ＴＦＴの性能、（２）デバイス、回路、および画素のレイアウト、ならびに（３）レーザおよびビームと関連する詳細をすべて最適化してＡＥＬＡ方法の生産性の連続的な増加を維持することができるかを推測することができる。これらの要因は、ＡＥＬＡによって提供される基本的な利点および柔軟性を完全に活用するように最適化して設計されるとき、（同一のレーザ源に基づく従来のＥＬＡ方法を用いることによって遂行されるそれと比較したとき）実効結晶化速度を１桁以上増大させる現実的なパラメータの集合を用いることが達成できることを推測することが可能である。実効結晶化速度が増すにつれて、結晶化システムの処理能力が、基板を搬入、搬出するためにかかる時間などの他の要因がますます重荷となる。ＡＥＬＡの場合、結晶化時間は、複数チャンバ／単一レーザ構成のシステムがこの状況を改善することを保証するのに十分なほど減少し得る。
【０１４０】
ＡＥＬＡは全く柔軟性があり、大規模ＯＬＥＤＴＶを作成することに確かに良好に適合しているとはいえ、本方法を、より高い画素密度でより小規模なディスプレイように用いることが可能な程度は不明瞭なままである。ＡＥＬＡは、高解像度タブレット／ノートブックＬＣＤ／ＯＬＥＤ画面を製造する実行可能な方法である。（それは、少なくとも、現在多くの人によってこれらのディスプレイを生成するため最も大量生産に適合したオプションであると考えられている従来のＥＬＡ方法よりも効果的であるはずである。）これらの製品にとっては、鋭角的に画定されたエッジを持つ多数画素幅のビームを用いる複数画素処理は、ＡＥＬＡの一部の要素を少なくとも部分的に実装し、かつ相応に部分的にそれらから恩典を得る１つの方法であり得る。代替的には、この状況は、減少したパルスごとエネルギーで高周波数を持つ高出力レーザを用いる薄いビームのエキシマレーザ結晶化システム用いるＡＥＬＡを実現するのに良好に適し得る。（薄いビームベースおよび投影ベースのエキシマレーザ結晶化方法の双方もまた、選択された領域の減少エリア結晶化だけを実施することによって処理能力を向上させるように構成することが可能であり得ることに留意すべきである。）（Ｄ．Ｓ．Ｋｎｏｗｌｅｓ、Ｊ．Ｙ．Ｐａｒｋ、Ｃ．Ｉｍ、Ｐ．Ｄａｓ、Ｔ．Ｈｏｆｆｍａｎ、Ｂ．Ｂｕｒｆｅｉｎｄｔ、Ｈ．Ｍｕｅｎｚ、Ａ．Ｈｅｒｋｏｍｍｅｒ、Ｐ．Ｃ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｌｔ、Ａ．Ｂ．Ｌｉｍａｎｏｖ、およびＪ．Ｓ．ＩｍによるＰｒｏｃ．ＳＩＤ３６（２００５年）５０３ページ、Ｒ．Ｓ．ＳｐｏｓｉｌｉおよびＪ．Ｓ．ＩｍによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ．Ａ６７（１９９８年）２７３ページ、Ｒ．Ｓ．ＳｐｏｓｉｌｉおよびＪ．Ｓ．Ｉｍによる応用物理研究所文献６９（１９９６年）２８６４ページ、Ｊ．Ｓ．Ｉｍ、Ｍ．Ａ．Ｃｒｏｗｄｅｒ、Ｒ．Ｓ．Ｓｐｏｓｉｌｉ、Ｊ．Ｐ．Ｌｅｏｎａｒｄ、Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍ、Ｊ．Ｈ．Ｙｏｏｎ、Ｖ．Ｖ．Ｇｕｐｔａ、Ｈ．Ｊ．Ｓｏｎｇ、およびＨ．Ｓ．ＣｈｏによるＰｈｙｓ．Ｓｔａｔ，Ｓｏｌｉｄｉ  Ａ、１６６，６０３（１９９８年））。
【０１４１】
立ち上がりと同じほど影響があって重要ではないかもしれないが、ビームの立下りもまた関心事であり得るが、それは、それがある程度の微細構造および／または表面形態と関連する非均一性をさらに導入しかねないからであり、ＡＥＬＡでは、これらの問題点は些細なものであり、機先を制して対処される。複数列幅のビームの場合、立下りはビームおよびエッジの幅を適切に調整することによって管理することができる。
【０１４２】
最後に、ＡＥＬＡシステムによって提供される利点および能力は、結晶化に限られる必要はない。本システムの本質は、明確な量の出力を、照射される必要がある領域に対して、そしてこれらの領域に対してだけ効率的に送達するその能力にある。したがって、他の潜在的なプロセスおよび用途（例えば、レーザドーピングおよび起動、レーザパターン化および溶発など）に対して本システムを用いることを考慮することも可能であり得る。
【０１４３】
位置制御式ＥＬＡ技法
小画面の用途、例えばタブレットまたは電話の場合、画素ピッチはより小さく、ＡＥＬＡを用いる選択エリア結晶化をより困難なものとする。したがって、これらの用途に対しては、膜全体を結晶化することが一般に好ましい。しかしながら、既存のＥＬＡ技術では、結果として得られる膜は、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように、周期性の非均一性を有し得るが、これは、結果として低品質のディスプレイをもたらしかねない。したがって、新しいＥＬＡ方法であるＥＬＡ＋が、ＥＬＡでの非均一性問題点を解消して、膜のショット数を減少させるために開発された。ＥＬＡ＋は、膜全体にわたって位置制御式ＥＬＡを実行するために、図１４Ｃに示すように、尖鋭に画定されたビームを用いる。ＥＬＡ＋は位置制御されるが、それは、ＥＬＡは結果として制御されない非均一性をもたらすが、ＥＬＡ＋では、非均一性を戦略的に位置付けることが可能であり、それで、後で形成される画素が膜の非均一な領域に位置付けられないようにするからである。これは、２つのデバイスを形成する領域の幅よりも大きいサイズ、例えば、２つ、３つ、４つまたは最大で１０個のデバイスの形成領域の幅のビームを用いることと、ビームの第１の照射とビームの第２の照射との間の重なり領域を注意深く制御することと、によって遂行することができる。
【０１４４】
図２２は、本開示の実施形態に関わる、列２２０２〜２２１４に配置された複数の画素を有する膜２２００上でのシルクハット形状ビームの走査の図である。ビーム２２１６は、１つのショット２２２２で、３つの画素列２２０２〜２２０６が照射されるようにサイズ決めされる。次に、ビームは進み（膜２２００の移動によってまたはビーム自身が移動して）、第２のパルス２２１８で、次の３つの画素列２２０８〜２２２が照射される。第３のショット２２２０が列２２１４および次の２つの列を照射し、これを繰り返して、最終的には膜全体が照射される。ビームのサイズを膜の画素ピッチに決めることによって、画素を含む領域が均一に照射され、非均一な領域が、ショット／パルス２２２４、２２２６間に置かれる。
【０１４５】
上記の膜は、レーザ照射処理用に適切な任意のタイプの半導体または酸化物膜であり得る。例えば、膜は、シリコン、ゲルマニウム、酸化物、または複合半導体（例えば、ガリウムヒ素）から構成することができる。例示の酸化物膜は、酸化チタンおよび酸化亜鉛の膜を含むが、ここで酸化亜鉛膜はガリウム・インジウム・亜鉛酸化物を含み得る。いくつかの実施形態では、酸化物膜の照射を修正して、酸化物膜の融解および凝固のパラメータを調整する、または、膜がまったく融解されないソリッドステートアニーリングプロセスを結果としてもたらすことができる。
【０１４６】
本発明の実施例を図示し、説明したが、それらに対して様々な変更および修正が、本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが当業者には容易に明らかであろう。当業者は、日常的な実験を用いるだけで、本明細書に記述する特定の組成の等価物および手順を認識または確認することが可能であろう。このような等価物は、本発明の範囲内にあると考えられ、次のクレームに含まれる。
【図１Ａ】
2015516694.tif 000003
【図１Ｂ】
2015516694.tif 000004
【図２Ａ】
2015516694.tif 000005
【図２Ｂ】
2015516694.tif 000006
【図２Ｃ】
2015516694.tif 000007
【図２Ｄ】
2015516694.tif 000008
【図３Ａ】
2015516694.tif 000009
【図３Ｂ】
2015516694.tif 000010
【図４】
2015516694.tif 000011
【図５Ａ】
2015516694.tif 000012
【図５Ｂ】
2015516694.tif 000013
【図６】
2015516694.tif 000014
【図７】
2015516694.tif 000015
【図８Ａ】
2015516694.tif 000016
【図８Ｂ】
2015516694.tif 000017
【図８Ｃ】
2015516694.tif 000018
【図８Ｄ】
2015516694.tif 000019
【図８Ｅ】
2015516694.tif 000020
【図９】
2015516694.tif 000021
【図１０Ａ】
2015516694.tif 000022
【図１０Ｂ】
2015516694.tif 000023
【図１１Ａ】
2015516694.tif 000024
【図１１Ｂ】
2015516694.tif 000025
【図１１Ｃ】
2015516694.tif 000026
【図１２】
2015516694.tif 000027
【図１３】
2015516694.tif 000028
【図１４Ａ】
2015516694.tif 000029
【図１４Ｂ】
2015516694.tif 000030
【図１４Ｃ】
2015516694.tif 000031
【図１５】
2015516694.tif 000032
【図１６】
2015516694.tif 000033
【図１７Ａ】
2015516694.tif 000034
【図１７Ｂ】
2015516694.tif 000035
【図１８Ａ】
2015516694.tif 000036
【図１８Ｂ】
2015516694.tif 000037
【図１９】
2015516694.tif 000038
【図２０】
2015516694.tif 000039
【図２１】
2015516694.tif 000040
【図２２】
2015516694.tif 000041
【国際調査報告】
2015516694.tif 000042
2015516694.tif 000043