"Verfahren zur Umstrukturierung von Halbleiterschichten"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umstrukturierung von Halbleiterschichten, insbesondere zur Kristallisation oder Rekristallisation einer amorphen Siliziumschicht, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Aus der US 2004/0232126 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Rekristallisation von Siliziumsschichten auf Glassubstraten mit dem Licht eines Diodenlasers durchgeführt. Dabei wird eine linienförmige Intensitätsverteilung über die zu rekristallisierende Siliziumsschicht senkrecht zur Linienrichtung gescannt. In Scann-Richtung beziehungsweise senkrecht zur Erstreckung der Linie weist die Intensitätsverteilung ein schmales unstrukturiertes Intensitätsprofil wie beispielsweise ein Gaußprofil auf.

Als nachteilig bei einem derartigen Verfahren erweist sich, dass einerseits aufgrund des lediglich mit einer Intensitätsspitze der linienförmigen Intensitätsverteilung behandelten Abschnitts der Siliziumschicht das Ergebnis der Rekristallisation mangelhaft ist. Andererseits können aufgrund der hohen Spitzenintensität der Intensitätsverteilung Risse in dem Substrat entstehen.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, das effektiver ist.

Dies wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das Intensitätsprofil in der Richtung senkrecht zur Erstreckung der Linie weiterhin mindestens einen ausgedehnten Bereich aufweist, der in der Richtung senkrecht zur Erstreckung der Linie ausgedehnter ist als die Intensitätsspitze, wobei dessen Intensität kleiner als die Intensität der Intensitätsspitze und größer als null ist. Durch einen ausgedehnten Bereich, der eine kleinere Intensität als die Intensitätsspitze aufweist, kann eine Vorerwärmung der Siliziumschicht und des darunter befindlichen Substrats erreicht werden, so dass die Rissbildung in dem Substrat verhindert werden kann. Weiterhin kann beispielsweise durch einen zweiten, der Intensitätsspitze hinterher laufenden ausgedehnten Bereich eine thermische Nachbehandlung des mit der Intensitätsspitze behandelten Abschnitts der Siliziumschicht durchgeführt werden. Dadurch kann das Ergebnis der Rekristallisation deutlich verbessert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Dünnschichten aus amorphem Silizium auf Glas bearbeitet werden, die bei der Produktion von Dünnschichtsolarzellen und der Flachbildschirmproduktion eingesetzt werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren umzustrukturierende Halbleiterschicht, die auf einem Substrat angeordnet ist, wobei die linienförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung angedeutet ist;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der auf dem Substrat befindlichen Halbleiterschicht gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 ein in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendetes

Intensitätsprofil in der Richtung senkrecht zur Erstreckung der Linie der linienförmigen Intensitätsverteilung des Laserlichts (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen Ausdehnung in Scann-Richtung);

Fig. 4 eine schematische Ansicht des Intensitätsprofils gemäß Fig. 3 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen Ausdehnung in Scann-Richtung);

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Intensitätsprofils (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen Ausdehnung in Scann-Richtung);

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Intensitätsprofils (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen Ausdehnung in Scann-Richtung);

-A-

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Linsenarrays und eines Intensitätsprofils gemäß Fig. 3.

In einigen der Figuren ist zur besseren übersichtlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Substrat 1 , auf das eine Siliziumschicht 2 aufgebracht ist. Das Substrat 1 kann beispielsweise als Glassubstrat ausgebildet sein. Mit einer Laservorrichtung 13, die mindestens einen Halbleiterlaser 14 und eine Mikrooptik 15 zur Strahlformung umfasst, wird in z-Richtung eine linienförmige Intensitätsverteilung 3 der Laserstrahlung auf eine amorphe Siliziumschicht 2 aufgebracht (siehe dazu Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 7). Die Laservorrichtung 13 arbeitet im CW-Betrieb. Die Linie der linieförmigen Intensitätsverteilung 3 erstreckt sich dabei in y-Richtung. Die linieförmige Intensitätsverteilung 3 wird in einer Scann-Richtung 4, die der x- Richtung entspricht, senkrecht zur Erstreckung der Linie über die Siliziumschicht 2 bewegt beziehungsweise gescannt. Die Scanngeschwindigkeit kann dabei zwischen 1 m/min und 20 m/min betragen.

Die linieförmige Intensitätsverteilung 3 weist in Scann-Richtung 4 beziehungsweise in x-Richtung eine vergleichsweise kleine Breite B auf, die um ein Vielfaches kleiner als die Länge L der linieförmigen Intensitätsverteilung 3 in Längsrichtung der Linie ist. Beispielsweise kann die Länge L der der linieförmigen Intensitätsverteilung 3 mehr als 500 mm betragen, wohingegen die Breite B zwischen 0, 1 mm und 10,0 mm betragen kann.

In Scann-Richtung 4 beziehungsweise in x-Richtung weist die linieförmige Intensitätsverteilung 3 beispielsweise ein Intensitätsprofil 5 gemäß Fig. 3 auf. Dieses Intensitätsprofil 5 weist drei wesentliche Bereiche auf, nämlich von rechts nach links in Fig. 3 einen ersten ausgedehnten Bereich 6, eine Intensitätsspitze 7 (Intensitätspeak) und einen zweiten ausgedehnten Bereich 8. Rechts des ersten ausgedehnten Bereichs 6 und links des zweiten ausgedehnten Bereichs 8 schließen sich jeweils noch eine ansteigende beziehungsweise abfallende Flanke 9, 10 an, die in der nachfolgenden Beschreibung außer Betracht bleiben sollen.

über die ausgedehnten Bereiche 6, 8 ist die Intensität weitgehend konstant. Fig. 4 stellt die Proportionen des Intensitätsprofils 5 schematisch dar. Den links und rechts des Intensitätsprofils 5 angeordneten Bereichen ist dabei die Intensität 0 zugeordnet. Der erste ausgedehnte Bereich 6 weist eine Intensität U, der zweite ausgedehnte Bereich 8 weist eine Intensität U und die Intensitätsspitze 7 weist eine Intensität I ₇ auf. Dabei zeigt sich, dass I ₇ > Ie > Ie gilt. Dabei kann beispielsweise I ₇ mehr als doppelt so groß wie I ₈ beziehungsweise U sein. Insbesondere kann die Leistungsdichte in den ausgedehnten Bereichen 6, 8 zwischen 100 W/cm ² und 100 kW/cm ² betragen, wohingegen die Leistungsdichte im Bereich der Intensitätsspitze 7 zwischen 1 kW/cm ² und 1 MW/cm ² betragen kann.

Weiterhin zeigt sich, dass die Breite B ₆ und Be des ersten und des zweiten ausgedehnten Bereichs 6, 8 jeweils deutlich größer ist als die Breite B ₇ der Intensitätsspitze 7. Unter Berücksichtigung der Scanngeschwindigkeit wird somit jeder Abschnitt der Siliziumschicht deutlich länger mit den moderaten Intensitäten I ₆ , Iβ der ausgedehnten Bereiche 6, 8 als mit der hohen Intensität I ₇ der Intensitätsspitze 7 bestrahlt. Beispielsweise kann die Breite B ₇ der

Intensitätsspitze 7 kleiner als 0, 1 mm (FW ^■ 1 /e ² ) sein, wohingegen die Breiten B _θ und B ₈ des ersten und des zweiten ausgedehnten Bereichs 6, 8 zwischen 0, 1 mm und 10,0 mm groß sein können.

Der erste ausgedehnte Bereich 6 des Intensitätsprofils 5 heizt den umzuwandelnden Abschnitt der Siliziumschicht 2 und das Substrat vor, bevor die Intensitätsspitze 7 eine derart große Energiemenge zuführt, dass die eigentliche Umwandlung beziehungsweise Rekristallisation erfolgen kann. Die Intensitätsspitze 7 dient zeitlich als Startpunkt für den Umwandlungsprozess.

Der zweite ausgedehnte Bereich 8 des Intensitätsprofils 5 führt dem umzuwandelnden Abschnitt der Siliziumschicht 2 nach der Einbringung der Spitzenenergiemenge durch die Intensitätsspitze 7 weiterhin eine moderate Energiemenge zu. Diese moderate Energiezufuhr unterstützt das Kristallwachstum in der Siliziumschicht 2 und verlangsamt das Abkühlen der Siliziumschicht 2 und des Substrats 1. Dadurch können mechanische Spannungen in der Siliziumschicht 2 und in dem Substrats 1 reduziert werden.

Bei den Intensitätsprofilen gemäß Fig. 5 und Fig. 6 sind gleiche oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 versehen.

Fig. 5 zeigt ein „sesselförmiges" Intensitätsprofil 1 1 , bei dem lediglich der erste ausgedehnte Bereich 6 rechts von der Intensitätsspitze 7 vorgesehen ist, nicht jedoch der zweite ausgedehnte Bereich links von der Intensitätsspitze 7. Ein derartiges Intensitätsprofil 1 1 wird zwar vor dem Umwandeln ein Vorheizen bewirken, nicht jedoch ein Nacherwärmen nach begonnener Umwandlung.

Fig. 6 zeigt ein „sesselförmiges" Intensitätsprofil 12, bei dem lediglich der zweite ausgedehnte Bereich 8 links von der Intensitätsspitze 7

vorgesehen ist, nicht jedoch der erste ausgedehnte Bereich rechts von der Intensitätsspitze 7. Ein derartiges Intensitätsprofil 12 wird zwar nach begonnener Umwandlung ein Nacherwärmen bewirken, nicht jedoch vor dem Umwandeln ein Vorheizen.

Der Halbleiterlaser 14 gemäß Fig. 7 kann als Laserdiodenbarren oder als Stack von Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl von Einzelemittern ausgebildet sein, die zusammen die benötigte Leistung und das für die Applikation notwendige Strahlparameterprodukt ergeben.

Die Mikrooptik 15 zur Strahlformung umfasst in y-Richtung eine überlagerung und Homogenisierung aller Emitter unter Zuhilfenahme von Zylinderlinsenarrays. In x-Richtung werden Zylinderlinsenarrays verwendet, deren Oberfläche aus Mehrzonenoptiken bestehen, die zum Beispiel das Intensitätsprofil 5 gemäß Fig. 3 ermöglichen. In Fig. 8 sind drei nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen 16, 17, 18 eines derartigen Zylinderlinsenarrays abgebildet. Dabei kann das Zylinderlinsenarray deutlich mehr als drei Zylinderlinsen umfassen. Bei der mittleren Zylinderlinse 17 sind drei Zonen 17a, 17b, 17c verdeutlicht. Dabei ist die Zone 17a für die Ausbildung des ersten ausgedehnten Bereichs 6, die Zone 17b für die Ausbildung der Intensitätsspitze 7 und die Zone 17c für die Ausbildung des zweiten ausgedehnten Bereichs 8 verantwortlich. Dies ist in Fig. 8 durch die Strichpunktierung angedeutet.

Je nach Wahl der Oberflächenkrümmung und der Zonenbreite kann unterschiedliche viel Licht in die verschiedenen Raumrichtungen geleitet werden. In Kombination mit einer Fourieroptik kann dann das Licht der Zonen 17a, 17b, 17c zusammen mit dem der Zonen der anderen Zylinderlinsen 16, 18 (beziehungsweise der nicht abgebildeten Zylinderlinsen) auf verschieden breite Foki mit unterschiedlicher Intensität fokussiert werden.

Das Licht der Laservorrichtung 13 wird mit einem x-y-z- Koordinatentisch mit Linearantrieben linear über die Proben gescannt. Dabei werden die Verfahrensparameter Laserleistung, Verfahrgeschwindigkeit, Probenvorbehandlung so eingestellt, dass der gewünschte Effekt erzielt wird (Rekristallisation von sehr dünnen, amorphen Si-Beschichtungen auf Glassubstraten).

Eine teilweise zu beobachtende Rissbildung in den Glassubstraten (Borosilikatglas, nicht bei Quarzglas) kann durch Vorheizen (im Ofen oder auf einer Heizplatte) und durch anschließende Laserbehandlung der Substrate verhindert werden. Dieses Vorheizen wird erfindungsgemäß optisch durch eine entsprechende Anpassung des Intensitätsprofils des vorhandenen Lasermoduls erzielt, zum Beispiel in Form eines Sesselprofils mit nachlaufendem Intensitätspeak. Alternativ kann auch ein weiteres Diodenlasermodul mit weniger Intensität genutzt werden, das dem Linienmodul vorläuft.

Beispiele:

Ein sichtbarer Effekt konnte zum Beispiel mit folgenden Proben und Parametern erzielt werden:

Proben-Nr. Schichtdicke Geschwindigkeit Ergebnis

[nm] [m/min]

a-Si01 100 bis zu 4,75 farblich sichtbare Umwandlung

a-SiO2 98,7 bis zu 4,75 farblich sichtbare

Umwandlung

a-SiO3 48, 1 bis zu 4,75 farblich sichtbare Umwandlung

a-SiO4 46 bis zu 4,75 farblich sichtbare Umwandlung

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können auch in einer industriellen Fertigung zuverlässig und kostengünstig Silizium- Dünnschichten mit erhöhter Elektronenmobilität hergestellt werden. Die Linienform mit der erfindungsgemäßen Intensitätsverteilung ist dabei der Schlüssel für eine effektive Bearbeitung von Dünnschichten auf Glas. Eine Skalierung der Linienlänge auf über 500 mm und hohe Laserleistungen bieten für aktuelle und zukünftige Aufgaben in den Bereichen Displaytechnologie und Photovoltaik neue Wertschöpfungsmöglichkeiten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Hochleistungs- Diodenlaserquellen mit entsprechender Liniengeometrie für die Dünnschichtbearbeitung eingesetzt. Ab einer Dauerstrichleistung von einem Kilowatt eignen sich diese Linienlaserquellen für thermische Bearbeitungsprozesse von Siliziumschichtdicken von mehreren Mikrometern. Eine aufwendigere großflächige Heizung kann durch das Oberflächen-Scann-Verfahren mit dem Linien-Diodenlaser ersetzt werden und beschleunigt die Aufheizphase für schnellere und kostengünstigere thermische Prozesse für Dünnschichten.