Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer kristallisierter keramischer Dünnschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Bauelement mit einer oder mehrerer solcher Schichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.

Elektrokeramische Materialien eröffnen eine Fülle von Funktio- nen, die die traditionellen Halbleitermaterialien wie zum Bei- spiel Si oder GaAs nicht bieten. Bei solchen Funktionen elektro- keramischer Materialien kann es sich um ferroelektrische Polari- sation, hohe Kapazitätsdichten, magnetoresistive Eigenschaften, piezoelektrische Aktorfunktionen, piezoelektrische Sensorfunk- tionen, Ionenleitung, Supraleitung oder elektrooptische Aktivi- tät handeln. Die Integration solcher elektrokeramischen Funktio- nen auf integrierten Halbleiterschaltungen ist wünschenswert, da auf diesem Wege eine Kombination der Funktionen mit der Mikro- elektronik und Mikromechanik erzielt werden könnte. Als Beispiel sind nichtflüchtige, ferroelektrische Speicher (sogenannte Fe- RAM) vorstellbar, die auf der Integration ferroelektrischer Ke- ramiken auf Si-CMOS-Schaltungen beruhen.

Die Erzeugung qualitativ hochwertiger, dichter Keramikschichten erfordert in der Regel Temperaturen oberhalb von 500 °C. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein, da einerseits unter der Keramikschicht liegende Schichten oder Bauelemente wie zum Beispiel Transistoren nur mit großem Aufwand vor der Oxida-

tion durch die erhöhte Sauerstoffdiffusionsrate geschützt werden können. Andererseits können tiefer liegende Schichten und Bau- elemente durch eine Diffusion von Fremdelementen aus der Keramik degradiert werden. Schließlich muß die übliche Aluminium- Metallisierung erst nach der Keramikschicht aufgebracht werden, da diese Metallisierung nur bis zu einer Temperatur von 400 °C stabil bleibt. Aufgrund dieser Einschränkung ist es nicht mög- lich, fertige integrierte Schaltungen durch keramische Funktio- nen abschließend zu ergänzen.

Einen Weg, die Temperaturbelastung des Substrates (integrierte Halbleiterschaltung) gering zu halten und auf einen kurzen Zeit- raum zu beschränken, stellt die Laser-Annealing-Technik dar. Ein fokussierter, punkt-oder strichfokusförmiger Laserstrahl aus- reichender Leistung wird mit kontrollierter Vorschubgeschwin- digkeit über die"grüne"Keramikschicht bewegt (Scanning), um eine Kristallisation und Verdichtung der Schicht zu erreichen.

Als Stand der Technik sind zwei Lasertypen für Annealingschritte und für die Kristallisation keramischer Dünnschichten beschrie- ben.

Einerseits finden nach U. Varshney et al.,"C02-laser patterning of plasma-deposited high Tc superconducting thick films", in J.

Appl. Phys. 66/3 (1989) 1392 kontinuierlich arbeitende IR-Laser, wie zum Beispiel CO2-Hochleistungslaser, Einsatz zur Strukturie- rung von Hochtemperatursupraleiter-Dickschichten.

Andererseits sind gepulste UV-Laser, insbesondere Eximer-Laser mit hohen Pulsleistungen, bekannt. Es ist aus M. Miyao, M. Tamu- ra, and T. Tokuyama,"Selective annealing of ion-implanted amor- phous layers by Nd3+-YAG laser irradiation", Appl. Phys. Lett.

33/8 (1978) 828 bekannt, mit Hilfe von Nd-YAG-Lasern die nach Implantationsprozessen zerstörte Oberfläche amorpher Si- Schichten auszuheilen und die implantierten Phosphoratome elek- trisch zu aktivieren. Zudem ist es aus S. Otani, M. Kimura, N.

Sasaki,"Laser annealing of SrTiO3 thin films deposited directly on Si substrats at low temperature", Appl. Phys. Lett. 63/14 (1993) 1889 oder X. M. Lu et al.,"Laser-induced phase transfor- mation from amorphous to perovskite in PbZr044Ti05603 films with the substrate at room temperature", Appl. Phys. Lett. 65/16 (1994) 2015 oder X. M. Lu et al.,"Pulsed eximer (KrF) laser in- duced crystallization of PbZro, 4Ti0, 5603 amorphous films", Appl.

Phys. Lett. 66/19 (1995) 2481 oder Patent Fujitsu, L16, bekannt, amorphe, elektrokeramische Dünnschichten, beispielsweise aus SrTiO3, PbZr044Ti05603 und SrTil-xBixC3 zu kristallisieren.

Schließlich sind komplexere Prozesse als Stand der Technik in Mantese et al.,"Selective laser pyrolysis of metalorganics as a method of forming patterned thin-film superconductors", Appl.

Phys. Lett. 53/14 (1988) 1335 beschrieben. Dabei wurde ohne Er- folg versucht, die gewünschte keramische Dünnschicht aus me- tallorganischen Precursoren mit Hilfe eines Lasers in situ her- zustellen. Ein ähnlicher Prozess wurde für die Herstellung fer- roelektrischer Dünnschichten für den Einsatz in FNVRAM's veröf- fentlicht. Die Auswahl der Typen wird offenkundig von der Ver- fügbarkeit hinreichend hoher Laserleistungsdichten bestimmt.

Eine bedeutsame Randbedingung ergibt sich aufgrund des Absorpti- onsspektrums der keramischen Dünnschichten. Notwendige Voraus- setzung für das optische Annealing ist die Absorption der ver- wendeten Strahlung in dem eingesetzten Dünnschichtmaterial.

Zahlreiche Dünnschichtmaterialien, wie zum Beispiel Erdalkaliti- tanate, absorbieren lediglich im fernen infraroten (IR) und im ultravioletten (UV)-Bereich, während sie im sichtbaren und nahen IR-bereich vollständig transparent sind und in diesen Wellenlän- genbereich nicht aufgewärmt werden können. Aus diesem Grunde müssen Strahlungsquellen im fernen Infrarot oder im UV-Bereich eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die Kristallisation von Elektrokeramiken aus metallorganischen Solen oder Gelen durch

die unterschiedliche Absorption der organischen Komponenten im , nassen Film und der Keramik zusätzlich erschwert. Die chemi- schen Reaktionen müssen durch andere Wellenlängen induziert wer- den als die Kristallisationsprozesse amorpher Schichten, d. h. mehrere Laserwellenlängen müssen verfügbar sein. Eine Alternati- ve ist der Zusatz von Chromophoren zu den, nassen Schichten, mit deren Hilfe der Absorptionsbereich der Schicht verschoben werden kann. Ein solches Verfahren ist aufwendig und birgt zudem die Gefahr von Verunreinigungen in der Schicht.

Im einzelnen weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Ver- fahren zur Bildung solcher kristallisierter Schichten folgende Nachteile auf : Die große Wellenlänge verwendeter C02-Laser führt zu einer uner- wünscht großen Eindringtiefe des Laserstrahls. Aufgrund des Pulsbetriebs des Excimerlasers mit extrem kurzer Pulsdauer un- terhalb von 100 ns und mit der beschränkten Wiederholrate bis zu 100 Hz-und damit verbundenen, großen Zeitabschnitten zwischen den einzelnen Pulsen,-kühlt zudem der bestrahlte Oberflächen- bereich nach einem Puls nahezu vollständig ab, bevor der nächste Puls folgt. Dadurch ist eine kontinuierliche, durch die Vor- schubgeschwindigkeit steuerbare Eindringtiefe des Temperaturfel- des nicht erreichbar. Darüber hinaus ist die durch die Fokussie- rung steuerbare Energiedichte beim Einsatz des Excimerlasers be- grenzt, da man unter der Ablationsschwelle des Materials bleiben muß. In beiden Fällen nachteilig sind die hohen Investitionsko- sten für die eingesetzten Leistungslaser. Schließlich ist die gezielte Steuerung chemischer Reaktionen beim Herstellungsver- fahren kaum möglich.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstel- lung einer oder mehrerer kristallisierter keramischer Schichten, insbesondere Dünnschichten, bereitzustellen sowie ein Bauelement

mit einer solchen Schicht zu schaffen, bei dem diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Kristallisation ohne thermische Beeinflussung der Unterlage (n) auf der diese Schicht (en) abgeschieden wurde (n), erreicht werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach An- spruch 17. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsfor- men oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde erkannt, zur Lösung der Aufgabe eine leistungsfähige Lichtquelle (Lampe) mit einem hohen Strahlungsanteil im UV- Bereich einzusetzen. Die Strahlung sollte durch geeignete Linsen (Material : z. B. Quarzglas) auf einen hinreichend kleinen Be- leuchtungsfleck fokussiert werden. Zur Oberflächenkristallisati- on sollte dieser Beleuchtungsfleck über das vorbeschichtete Sub- strat gefahren ("gerastert") werden können. Die Leistungsdichte im Beleuchtungsfleck und die Vorschubgeschwindigkeit werden da- bei der erwünschten maximalen Oberflächentemperatur und der ge- wünschten Eindringtiefe angepaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche Einstrahlung von UV-Licht hinreichender Leistungsdichte. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Wellenlänge in einem möglichst großen Wellenlängenbereich (mit hinreichender Leistungsdichte) zu wählen, um eine ausreichende Absorption wäh- rend der unterschiedlichen Phasen der Schichtbildung, die mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen bzw. induzierten che- mischen Reaktionen gekoppelt ist, zu gewährleisten. Durch Ein- satz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erhebliche Ko- steneinsparung aufgrund der Vermeidung des Einsatzes von Lasern erzielt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer oder mehre- rer kristallisierter keramischer Schichten, insbesondere Dünn- schichten, wobei wenigstens eine keramische Schicht auf einer geeigneten Unterlage gebildet wird und mit UV-Licht bestrahlt wird, sieht gemäß Patentanspruch 1 vor, daß die Schicht mit UV- Licht kontinuierlich bestrahlt wird.

Gemåß Patentanspruch 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor- teilhaft ausgebildet, indem eine Energiedichte des UV-Lichtes derart gewählt wird, daß die Eindringtiefe des Lichtes die Schichtdicke der keramischen Schicht nicht überschreitet, insbe- sondere die Eindringtiefe des Lichtes der Schichtdicke der kera- mischen Schicht entspricht.

Gemäß Patentanspruch 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren da- durch vorteilhaft ausgebildet, daß eine Lampe mit einem hohen Anteil UV-Licht, insbesondere eine Hg-, Xe-oder Hg (Xe)-Lampe, gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor- teilhaft dadurch ausgeführt, daß das UV-Licht mit Hilfe von Mit- teln zur optischen Fokussierung auf die Oberfläche der kerami- schen Schicht gerichtet wird. Hierzu können insbesondere aus Quarzglas gebildete Linsen Einsatz finden.

Gemäß Patentanspruch 5 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem das UV-Licht über die Oberfläche der keramischen Schicht bewegt wird. Dies kann durch eine Rela- tivbewegung der Lichtquelle zur keramischen Schicht erfolgen.

Gemäß Patentanspruch 6 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem ein oder mehrere Perowskite, ins-

besondere ferroelektrische oder dielektrische Perowskite, als Material zur Bildung der keramischen Schicht gewählt werden.

Gemäß Patentanspruch 7 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem ein Perowskit des Typs AB03 als Material für die keramische Schicht gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 8 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem ein Perowskit des Typs AB03 als Material für die keramische Schicht gewählt wird, wobei als A ein Element aus der Klasse Ba, Sr, Ca oder Pb gewählt wird und wobei als B ein Element aus der Klasse Ti oder Zr gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 9 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem ein Material oder mehrere Mate- rialien der sogenannten Aurillius-Phase (n), insbesondere SrBi2Ta2O9 oder SrBi2Nb2O9, als Material zur Bildung der kerami- schen Schicht gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 10 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem die keramische Schicht auf der Oberfläche durch Abscheidung des keramischen Materials bei Tem- peraturen im Bereich von Raumtemperatur bis zu 400 °C gebildet wird.

Gemäß Patentanspruch 11 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem die keramische Schicht naßche- misch oder durch Sputtern oder mittels MOCVD gebildet wird.

Gemäß Patentanspruch 12 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem als Unterlage ein Substrat, ins- besondere ein Halbleiter-, Polymer-, Metall-oder Glassubstrat, gewählt wird. Ohne Einschränkung der Erfindung kann jedoch als Unterlage auch ein Bauelement wie zum Beispiel ein Transistor

vorgesehen sein, auf deren Oberfläche die keramische Schicht ge- bildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei die Kristallisation der keramischen Schicht ohne thermische Beein- flussung der als Bauelement ausgebildeten Unterlage.

Gemäß Patentanspruch 13 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem das UV-Licht relativ zur Oberflä- che der keramischen Schicht bewegt wird und zur Festlegung der gewünschten Eindringtiefe des Lichtes in die Schicht die Ge- schwindigkeit dieser Relativbewegung der gewählten Energiedichte des Lichtes angepaßt wird.

Gemäß Patentanspruch 14 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem als UV-Licht Licht mit einer Wel- lenlänge oder mit einem Wellenlängenintervall im Wellenlängenbe- reich von 100 nm bis zu 400 nm gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 17 wird als erfindungsgemäßes Bauelement ein optisches Bauelement, insbesondere ein ferroelektrischer Speicher vorgeschlagen, mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellter Schichten, die die oben genannten Vorteile aufweisen.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 : Parameterbereich von absorbierter Leistungsdichte vs.

1/Pulsdauer für eine zur Kristallisation von z. B. BaTi03 erforderliche Oberflächentemperatur zwischen 800°C und 1200°C ; Fig. 2 : Als Stand der Technik bekanntes Anwendungsbeispiel mit CO2-Laserstrahl (Vorheizstrahl) und Nd : YAG-Laserstrahl

(Annealingstrahl), wobei der Annealingstrahl ebenfalls zeilenweise gerastert wird, aber nicht so schnell wie der Vorheizstrahl.

In den Figuren 1 und 2 bedeuten : 1. Excimerlaser, 1600°C, 110 nm 2. UV-Lampe, 750° C, > 0,6 mm 3. UV-Lampe (gepulst), > 1800° C 4. CO2-Laserstrahl 5. Scannerspiegel 6. Keramik 7. Nd : YAG-Laserstrahl Ausführungsbeispiel Auf einem Substrat wurde zunächst eine keramische Schicht aus SrBi2Ta209 durch Deposition gebildet. Sodann wurde diese Schicht dem Licht einer im UV-Bereich kontinuierlich strahlenden Hg- Lampe ausgesetzt. Vor dieser Bestrahlung hatte die keramische Schicht eine Dichte von weniger als 50 % und war zunächst nur nanokristallin strukturiert. Insbesondere wies die Schicht keine Kristallite auf mit einem Durchmesser oberhalb von 2 nm. Auf- grund der Bestrahlung mit dieser UV-Lampe konnte eine Dichte von mehr als 90 %, insbesondere oberhalb von 95% erreicht werden.

Zudem wurde auf diese Weise eine Kristallisation der Schicht er- reicht, wobei die einzelnen Kristallite je nach Wahl der Be- strahlungsparameter einen Durchmesser im Bereich von 30 nm bis zu 200 nm oder sogar mehr aufwiesen.

Um die Gesamtfläche der Schicht derart zu behandeln, wurde das Licht der Lampe am Ort der Schichtoberfläche als geometrisch ge-

bildet und dabei die Lampe zur Kristallisation der Schicht rela- tiv zur Oberfläche der Schicht gescant. Die Geschwindigkeit die- ser Bewegung war so eingestellt, daß unter Berücksichtigung der gewählten Energiedichte der Lichtquelle die Eindringtiefe des UV-Lichtes der Schichtdicke der keramischen Schicht entsprach.

Auf diese Weise konnte eine thermische Beaufschlagung des Sub- strats durch in dieses Substrat eindringendes UV-Licht verhin- dert werden.

In Ausbildung der Erfindung ist es vorstellbar, jeweils mehrere solcher keramischer Schichten zu bilden und sodann zur Kristal- lisation entweder die einzelnen Schichten nacheinander oder meh- rere Schichten gleichzeitig mit kontinuierlichem UV-Licht zu be- handeln.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, das erfindungsgemäße Ver- fahren um eine Vorheizung mit Licht zu erweitern. Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Erweiterung darin, daß ein Vorhei- zen der Schicht oder der Schichten vor dem eigentlichen Kristal- lisationsvorgang durch ein linienweises schnelles Scannen der Oberfläche vorgeschlagen wird. Ein solches Vorheizen kann zum Beispiel mit einem C02-Laser oder mit UV-Licht erfolgen.

Ein solches Vorheizen weist folgende Vorteile auf : 1. Die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Substrat- temperatur und der Kristallisationstemperatur in der Schicht (oberhalb 500°C) wird verringert.

2. Die zum Annealen erforderliche Flächenleistungsdichte (Flu- ence) wird verringert. Dadurch verringert sich auch der Tempe- raturgradient in der Schicht.

3. Thermisch induzierte Spannungen aufgrund des verringerten Tem- peraturgradienten werden vermindert.

4. Mechanische Spannungen in der Schicht oder in den Schichten werden durch Einsatz der Vorheizung auf zwei Arten vorteilhaft herabsetzt : a) Lokal am Ort der Kristallisation durch den verringerten Tem- peraturgradienten, b) Insgesamt gesehen über den Wafer. Es wurde im Rahmen der Er- findung erkannt, daß dieser Effekt dadurch begründet ist, daß der Vorheizstrahl linienweise schnell über die Oberflä- che gescannt wird. Hierdurch werden Temperaturgradienten im wesentlichen nur senkrecht zur Scanrichtung erzeugt. In Scanrichtung ergibt sich im Grenzfall des sehr schnell scannenden Strahls bei sehr geringer Leistung und damit Aufheizung pro Scan ein verschwindender Temperaturgradient in Scanrichtung. Demnach werden thermomechanische Spannun- gen auch nur senkrecht zur Scanrichtung in der Schicht in- duziert. Diese Spannungen können jedoch aufgrund der ein- achsigen thermischen Ausdehnung und damit möglichen Biegung des Wafers teilweise abgebaut werden. Insgesamt ist somit eine Reduzierung der thermomechanischen Spannungen bei gleichbleibender Kristallisationstemperatur erzielbar.

5. Die Kristallisationstemperatur wird aufgrund der verringerten Temperaturdifferenz bei gleicher Heizrate schneller erreicht.

6. Relativ kurze Dauer der Einwirkung der erhöhten Temperatur im Vergleich mit Dauer der Einwirkung bei Diffusionsofen oder Ra- pid Thermal Annealing (RTA). Dies fuhrt zu einer deutlichen Reduzierung der thermischen Belastung des Substrates.

In Zusammenhang mit der im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahme einer Vorheizung wird als Stand der Technik und die darin enthaltenen Nachteile bei Einsatz einer Vorheizung folgen- des ausgeführt : Einen Weg, die Temperaturbelastung des Substrates (integrierte Halbleiterschaltung) gering zu halten und auf einen kurzen Zeit- raum zu beschrånken, stellt die Laser-Annealing-Technik dar. Ein fokussierter, punkt-oder strichförmiger Laserstrahl ausreichen- der Leistung wird kontrollierter Vorschubgeschwindigkeit über die"grüne"Keramikschicht bewegt (Scanning), um eine Kristalli- sation und Verdichtung der Schicht zu erreichen.

Durch Berechnungen des Temperaturfeldes im Schichtsystem während der Kristallisation mittels der Methode der Finiten Elemente wurde der Parameterbereich von Flächenleistungsdichte und Scan- geschwindigkeit ermittelt, der für die Kristallisation von BaTi03 geeignet ist. Die Pulsdauer und Flächenleistungsdichte, welche bei der Laser-Annealing-Technik angewendet werden, befinden sich im oberen Feld des Parameterbereiches bei kurzen Pulszeiten (entspricht hohen Scangeschwindigkeiten) und hohen Flächenlei- stungsdichten. Der mit derzeit verfügbaren UV-Lampen erreichbare Leistungsbereich befindet sich bei geringen Scangeschwindigkei- ten und niedrigen Flächenleistungsdichten (Figur 1).

Weiterhin konnte durch Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente die Wärmeeindringtiefe von der Oberfläche der Schichten in das Schichtsystem (bzw. Substrat) hinein in Abhängigkeit von der Pulsdauer (bzw. Scangeschwindigkeit) ermittelt werden. Diese Berechnungen zeigen, daß der optimale Parameterbereich je nach Schichtdicke der zu kristallisierenden Schicht zwischen dem der- zeit von Excimerlaser und UV-Lampen realisierbaren Bereich liegt.

Als Stand der Technik sind aus A. Ito, A. Machida, and M.

Obara, Epitaxial Growth of BaTiO3 Optical Thin Films by Pulsed KrF Laser Deposition and in situ Pulsed Laser Annealing Japa- nese Journal of Applied Physics, Part 2 : Letters, vol. 36, pp.

L805-L807,1997 oder A. Ito, A. Machida, and M. Obara, Cobalt doping in BaTiO3 thin films by two-target pulsed KrF laser abla- tion with in situ laser annealing Applied Physics Letters, vol.

70, pp. 3338-3340,1997 epitaktische BaTiO3-Schichten mit Dicken bis zu etwa 300 nm bekannt, die auf einem MgO-Substrat herge- stellt werden.

Der Prozeß erfordert, daß die Schichten in situ durch gepulste Laserdeposition (PLD) abgeschieden werden. Die Substrattempera- tur (die Temperatur, auf welche das Substrat vorgeheizt wird) kann gegenüber der gepulsten Laserdeposition von BaTiO3-Schichten ohne in situ Laserannealen um 50 K auf 650°C gesenkt werden. Für den Prozeß ist außerdem nachteilig ein Vakuum von 40 mTorr er- forderlich.

Aus O. Baldus, Reduzierung der Prozeßtemperaturen für die CSD- Abscheidung elektrokeramischer Dünnschichten mittels Laser- Annealing, Diplomarbeit in Physik, II. Physikalisches Institut Lehrstuhl B der RWTH Aachen, 1998 ist zudem als Stand der Tech- nik bekannt, daß (Ba, Sr) Ti03-Schichten einem PLA-Prozeß (pulsed laser annealing, Laser-Annealing-Technik mit gepulstem Laser- strahl) unterzogen und teilkristallisiert werden. Aufgrund der hohen laserinduzierten Spannungen in den Schichten wurde nach- teilig Rißbildung beobachtet. Rißbildung kann die Anwendung der (Ba, Sr) Ti03-Schichten als elektrokeramisches Bauteil stören.

Weiterhin wurde gezeigt, daß durch Substratvorheizung die Nei- gung zu Rißbildung verringert werden kann.

Als Stand der Technik ist aus R. F. Wood and G. E. Giles, Control of melt-front velocity during pulsed laser annealing Applied Physics Letters, vol. 38, pp. 422-423,1981 zudem bekannt, wie durch Substratvorheizung die Geschwindigkeit der Schmelzfront verringert werden kann. Die Geschwindigkeit der Schmelzfront kann sich auf die mechanischen Eigenschaften der rekristalli- sierten Schicht auswirken und damit auch auf die Neigung zu Riß- bildung.

Insgesamt ergeben sich damit aus dem Stand der Technik eine Rei- he von Nachteilen für die Herstellung und Bearbeitung von kera- mischen Schichten. Im einzelnen zählen dazu eine relativ geringe Temperaturwechselbeständigkeit, ein hoher Elastizitätsmodul und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dieses Verhalten führt bei ei- ner lokal sehr hohen Temperatureinwirkung zwangsläufig zu Span- nungen und der daraus folgenden Rißbildung. Die Größe der ent- stehenden Spannungen ist unter anderem von sich ausbildenden Temperaturgradienten im Material abhängig.

Durch den räumlich eng lokalisierten Laserstrahlspot in Verbin- dung mit den hohen Aufheizraten (und Abkühlraten) beim Laseran- nealen entstehen thermomechanische Spannungen in der Schicht oder in dem Schichtsystem. Die thermomechanischen Spannungen können Rißbildung in der Schicht oder im Schichtsystem verursa- chen. Aufgrund von Rißbildung würde ein derartiges Bauteil durch das Auftreten eines Kurzschlusses unbrauchbar.

Aufgrund des hohen Temperaturgradienten in der Schicht ist die kristallisierbare Schichtdicke begrenzt. Einerseits nimmt bei Erhöhung der eingestrahlten Flächenleistungsdichte die Tempera- tur an der Oberfläche so weit zu, daß es zu Ablation und Beschä-

digung der Oberfläche kommt. Andererseits wird bei verringerter Flächenleistungsdichte jedoch die Schicht nicht mehr durchkri- stallisiert, da die Temperatur nahe am Substrat unterhalb die Kristallisationstemperatur absinkt.

Es ist deshalb zudem Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer kristallisierter keramischer Schichten, insbesondere Dünnschichten, bereitzustellen sowie ein Bauelement mit einer solchen Schicht zu schaffen, bei die ther- mische Belastung des Substrates während der Kristallisation der Schichten reduziert wird und das Entstehen von thermomechani- schen Spannungen in der Schicht oder den Schichten vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ge- samtheit der Merkmale nach Anspruch 15. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 17. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausfüh- rungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde erkannt, zur Lösung dieser Aufgabe, zusätzlich zur lei- stungsfähigen Lichtquelle (Lampe) mit einem hohen Strahlungsan- teil im UV-Bereich eine weitere leistungsfähige Lichtquelle (Lampe, Laser), im folgenden Vorheizquelle genannt, zur kurzzei- tigen Vorheizung einzusetzen.

Gemäß Patentanspruch 15 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem vor der Kristallisation der ge- bildeten Schicht (en) mit kontinuierlichem UV-Licht die gebildete Schicht mit Hilfe einer weiteren Lichtquelle, insbesondere mit einem Laser oder einer weiteren Lampe, vorgeheizt wird.

Die Vorheizquelle kann linienweise schnell über die Oberfläche gescannt werden. Dazu kann eine optische Einrichtung (z. B.

Drehspiegel, Scanspiegel) zusätzlich zu einem optischen Aufbau zur Strahlformung (z. B. Linsen, Spiegel, Zylinderlinsen) einge- setzt werden, wie sie in bekannter Weise bei Laserschweissen (Figur 2, Stand der Technik aus Nagel, A.-M. und Exner, H., "Rißfreies Laserschweissen von Keramik, Internet Communikation, http ://www. htwm. de/~laszen/KERA_W3. HTM) verwendet wird.

Der Einsatz einer Vorheizquelle erlaubt eine sehr kurze Einwirk- dauer der Warmebelastung gegenüber anderen Verfahren zur Vorhei- zung wie Diffusionsofen oder RTA-Ofen. Dies wird durch die bei gleicher Heizrate kürzere Aufheizdauer aufgrund der verminderten Temperaturdifferenz zwischen Substrattemperatur und der Kristal- lisationstemperatur in der Schicht erzielt. Mit Hilfe des Vor- heizens wird das Material so weit erwärmt, daß beim nachfolgen- den Annealen die Neigung zu Rißbildung in der Schicht verringert wird.

Durch das Vorheizen verringert sich außerdem die Temperaturdif- ferenz, die bis zum Annealen notwendig ist. Es tritt ein flache- res Temperaturprofil auf, so daß die erzielbare Kristallisati- onstiefe ansteigt. Zur Kristallisation sollte der Beleuchtungs- fleck des Annealingstrahls über das vorbeschichtete Substrat ge- fahren ("gerastert") werden. Ebenso sollte der Beleuchtungsfleck des Vorheizstrahls über das vorbeschichtete Substrat gefahren ("gerastert") werden. Dabei sollte der Vorheizstrahl deutlich schneller und öfter (mit geringerem Vorschub senkrecht zur Scan- richtung) gerastert werden, als der Beleuchtungsfleck des Annea- lingstrahls.

Die Flächenleistungsdichte im Beleuchtungsfleck des Vorheiz- strahls und die Scangeschwindigkeit des Vorheizstrahls sind auf die gewunschte Vorheiztemperatur und die gewünschte Heizrate einzustellen. Dabei wird die Scangeschwindigkeit möglichst hoch gewählt, um eine möglichst gleichmäßige (homogene in Scanrich- tung) Aufheizung der Scanlinie zu erreichen.

Die Leistungsdichte im Beleuchtungsfleck des Annealingstrahls und die Vorschubgeschwindigkeit des Annealingstrahls können auf die notwendige, maximale Oberflächentemperatur und die gewünsch- te Eindringtiefe optimiert werden. Dazu kann es hilfreich sein, beide Optimierungen mit Hilfe von Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente durchzuführen.

Es ist vorteilhaft, die Vorschubgeschwindigkeit des Vorheiz- strahls (senkrecht zur Scanrichtung) gleich der Vorschubge- schwindigkeit des Annealingstrahls zu wählen.

Eine weitere Möglichkeit, den Temperaturverlauf in den Schichten zu kontrollieren, stellt die Verwendung von absorbierenden Schichten dar. Gemäß Patentanspruch 16 ist dazu vorgesehen, daß eine Schicht oder mehrere absorbierende Schichten an der freien Oberfläche aufgebracht werden oder in der zu kristallisierenden Schicht (zusätzliche Coatings) eingebracht werden.

Diese absorbierende Schichten können z. B. an der Oberfläche auf- gebracht werden, um zusätzlich zur Kontrolle des Temperaturver- laufs die photolytischen Prozesse der organischen Schichten zu verhindern (Beispiel (Ba, Sr) Ti03), welche ebenfalls zur Rißbil- dung beitragen können. Andererseits können absorbierende Schich- ten in der Schicht (zusätzliche Coatings) eingebracht werden, um

die Eindringtiefe der Strahlung und damit ebenfalls den Tempera- turverlauf in den Schichten zu kontrollieren.

Hierdurch kann der Wellenlängenbereich der verwendeten Licht- quelle auch auf Bereiche ausgedehnt werden, in welchen die Schichten transparent sein können, beispielsweise der sichtbare Spektralbereich. Dadurch erweitert sich der Bereich der zur Ver- fügung stehenden Lichtquellen, wie zum Beispiel Ar+-Laserlicht.

Mit Hilfe der Vorheizung wird im Rahmen der Erfindung die Wärme- einwirkung auf das Substrat reduziert. Es ist dabei zur Optimie- rung anzustreben, eine Belastung des Substrates mit möglichst niedriger Temperatur, ein möglichst kurzzeitiges Andauern der thermischen Belastung des Substrates, möglichst genaue Kontrolle der Dauer der thermischen Belastung des Substrates.

Dazu wird mit Hilfe der Vorheizung eine in der Schicht oder in den Schichten definierte Erwärmung der spannungsgefährdeten Zone gezielt einstellbar. Dies hat zur Folge, daß dadurch eine defi- nierte Erwärmung eine Reduzierung von thermomechanischen Span- nungen in den Schichten erzielt werden kann. Zudem kann durch eine genaue Überwachung der Dauer und des Verlaufs der thermi- schen Belastung der Schichten einer Reduzierung der thermomecha- nischen Spannungen möglich.

Weiteres Ausführungsbeispiel Es wurden Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Flächenleistungs- dichte im Beleuchtungsfleck und der Scangeschwindigkeit bzw.

Vorschubgeschwindigkeit einerseits und dem sich einstellenden

Temperaturprofil andererseits zu ermitteln. Durch Anpassung der Parameter Flächenleistungsdichte und Vorschubgeschwindigkeit können sowohl sehr flache als auch steile Temperaturgradienten in den Schichten eingestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Vorheizung zur Bildung der keramischen Schicht (en) weist den Vorteil auf, daß es inner- halb kurzer Zeit, insbesondere innerhalb weniger Sekunden, eine gut steuerbare Temperaturfelderzeugung erlaubt. Zudem ist die Bearbeitung unter freien Bedingungen und ohne kompliziertes Handling möglich.

Als Pulsdauer für die Vorheizung kann einen Wert zwischen dem von Excimerlaser und UV-Lampen realisierbaren Bereich, insbeson- dere im Bereich zwischen 10 ns und 0,1 s vorgesehen werden. Be- sonders günstig kann es sein, die Pulsdauer für die Kristallisa- tion von BaTiO3 mit 50 ns zu wählen.