DD241179A3 - Verfahren zur herstellung einkristalliner schichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten oder Baender aus amorphem oder polykristallinem Material. Ziel ist eine einfache und kostenguenstige Herstellungsmoeglichkeit. Aufgabe der Erfindung ist es, eine auf einem strukturlosen Fremdsubstrat aufgebrachte oder freitragend vorhandene amorphe oder definiert polykristalline Halbleiterschicht mit einer Dicke kleiner 0,5 mm derart zu behandeln, dass ein relativ defektfreier Einkristall ueber Bereiche groesser 1 mm2 entsteht, wobei Epitaxieprozesse vermieden werden sollen. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass dem Material waehrend der Einwirkung eines orts- und zeitabhaengigen Druckfeldes gleichzeitig impulsweise Waermeenergie zugefuehrt wird. Das Material kann ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Die Waermeenergie wird als elektromagnetische oder Teilchenstrahlung zugefuehrt, das Druckfeld kann durch eine stehendes oder fortschreitendes Ultraschallfeld realisiert werden. Auch die Anwendung von das Material durchlaufenden Schockwellen ist moeglich.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten oder Bänder aus amorphem oder polykristallinem Material. Die Sichten können eine dicke bis zu 0,5mm haben. Das Verfahren ist anwendbar sowohl zur Erzeugung einkristallinen Grundmaterials aus bandgezogenem Substrat als auch zur Herstellung dünner einkristalliner Halbleiterschichten auf Fremdsubstraten, z.B. amorphen Trägern. Es erhält deshalb eine besondere Bedeutung bei der Herstellung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente auf Halbleiterbasis.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren zur Herstellung von kristallinen Halbleiter- und Isolatorschichten auf amorphen Trägern sind bekannt.

Dazu gehört die sogenannte Graphoepitaxie (DD 0152816 und Appl. Phys. Lett. 35 [79] 71), die einen speziell strukturierten amorphen Träger voraussetzt.

Bekannt sind weiterhin das sog. Seeding, das unter der Bezeichnung laterale Epitaxie (Appl. Phys. Lett. 39 [1981] 561) publiziert wurde und das Bridging, bei dem eine Flüssigphasenepitaxie ausgehend von einer einkristallinen Unterlage durch Löcher in einer amorphen Zwischenschicht hindurch in einer Deckschicht lateral zwischen den Löchern stattfindet.

Schließlich ist noch das Verfahren der Explosivkristallisation bekannt (Appl. Phys. Lett. 39 [81] 724).

Allen genannten Verfahren ist gemeinsam, daß sie entweder einen einkristallinen Bereich als Informationsträger benötigen (Epitaxie) oder wie im Falle der Graphoepitaxie eine technologisch umständliche und nur für kleine Bereichen mm²) ökonomisch durchzuführende Strukturierung erfordern.

Oftmals erweist sich die notwendige Strukturierung für ein zu fertigendes Bauelement als störend oder ein Kristallkeim ist nicht realisierbar.

Ein besonderer Nachteil des Seedingverfahrens ist das starke Anwachsen von Gitterdefekten mit zunehmendem Abstand vom

Das Verfahren der Explosivkristallisation verlangt zwar keine speziellen Voraussetzungen oder Vorbereitungen von Unterlage und Keim, ermöglicht aber nur die Entstehung sehr kleiner einkristalliner Bereiche (1 mm² mit sehr starlcgestörtem Gitter).

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Bändern betreffen das Gleitschmelzen (US 4233338), das Plattensintern (DE 3017914) und das Bandziehen (DE 3028 055 und DE 3017016) sowie Nachbehandlungsverfahreh zur Verbesserung der poly- oder einkristallinen Struktur durch selektive impulsmäßige Erwärmung vorzugsweise mittels Laser" (DE 2917353).

Alle genannten Verfahren haben den Nachteil, daß entweder polykristalline Schichten entstehen oder eine einkristalline Ausgangsschicht vorhanden sein muß, von der aus ein lateraler Epitaxieprozeß abläuft. Da die Nachbehandlungsverfahren alle auf Epitaxieeffekten beruhen, reproduzieren sich die Defekte in einem bestimmten Maße. Bei der Anwendung zur Billigsubstratproduktion liefern alle genannten Verfahren mehr oder weniger polykristalline Halbleiterbänder.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein einfaches kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten aus amorphen oder polykristallinen Ausgangsschichten unabhängig von der Unterlage auf Fremdsubstraten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es möglicht macht, eine auf einem strukturlosen Fremdsubstrat aufgebrachte oder freitragend vorhandene amorphe oder definiert polykristalline Halbleiterschicht mit einer Dicke kleiner 0,5mm derart zu behandeln, daß ein relativ defektfreier Einkristall über Bereiche größer 1mm² entsteht. Epitaxieprozesse mit all ihren Fehlern sollen dabei vermieden werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten oder Bänder aus amorphem oder einkristallinem Material erfindungsgemäß dadurch, daß dem Material während der Einwirkung eines orts- und zeitabhängigen Druckfeldes gleichzeitig impulsweise Wärmeenergie zugeführt wird.

Als Ausgangsrnaterial findet vorteilhafterweise ein Isolator oder ein Halbleiter Verwendung. Die Wärmezuführung kann mittels elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung erfolgen.

Als Druckfeld wird vorteilhaft ein stehendes oder fortschreitendes Ultraschallfeld eingesetzt.

Es geht also bei der eigentlichen Prozeßführung darum, nachdem durch gesteuerte Keimbildung und Keimwachstum eine polykristalline Schicht relativ einheitlicher Korngröße erzeugt wurde, diese Körner durch impulsmäßige Wärmeenergiezufuhr stark beweglich zu machen und durch gleichzeitiges Anlegen eines geeignet dimensionierten orts- und zeitabhängigen Druckfeldes eine extern induzierte Ausrichtung der Polykristallite mit nachfolgender Koaleszenz zu bewirken.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, die Wärmeenergie über einen Licht-, Elektronen- oder Ionenstrahl hoher Intensität impulsmäßig zuzuführen und gleichzeitig ein externes Ultraschallfeld zur Erzielung der Richtwirkung anzulegen. Der Wärmeimpuls und damit die Bestrahlungsparameter sind so zu dimensionieren, daß die Schicht auf eineTemperatur aufgeheizt wird, die der Relation 0,95T_m < T < T_m genügt (T_m — Schmelztemperatur des einkristallinen Materials). Die Zeit der Wärmebeeinflussung (Wärmeimpulslänge) muß dabei umgekehrt proportional dem Quadrat der Schalldruckamplitude, jedoch stets kleiner als die charakteristische Zeitdauer der gleichzeitig ablaufenden Kristallitwachstumsprozesse sein.

Da die notwendige Dauer der Beweglichkeitsphase der Kristallite von der Länge des Wärmeimpulses und der Richtwirkung des Ultraschallfeldes abhängt, kann auch eine wiederholte Behandlung bei Anpassung der Bestrahlungsparameter an die sich entwickelnde Kristallitgröße zur Erhöhung der Kristallgüte Anwendung finden.

Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, das Richtwirkung erzielende Druckfeld intern etwa durch Schockwellen zu erzeugen, die ein oder mehrere Energieimpulse selbst hervorrufen.

Zur erfindungsgemäßen Bearbeitung großer Flächen kann die Verkopplung der Einwirkung von Wärmeenergieimpuls und Schalldruckfeld sowohl großflächig als auch in kleinen Bereichen in Verbindung mit einer Abrasterung (Punkt- oder Streifenraster-Betrieb) erfolgen.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1: die Anwendung eines Druckfeldes und einer Wärmezufuhr für die Schichtherstellung und Fig. 2: die Anordnung für die Bandherstellung.

Zur Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf einem Quarzträger 1, der vorzugsweise eine prismatische Form besitzt, durch ein beliebiges Verfahren eine 2μηη dicke Schicht amorphen oder polykristallinen Siliziums aufgebracht und diese durch bekannte Nachbehandlungsmethoden zu einer Polysiliziumschicht 2 weitgehend einheitlicher Kristallitgröße formiert. Erfindunggemäß wird nun die Umwandlung dieser Schicht in eine einkristalline Schicht durch kombinierte Einwirkung eines Ultraschallfeldes und eines hochintensiven Lichtimpulses derart bewirkt, daß das System Träger 1 —Polysiliziumschicht 2 durch einen an einer seiner Stirnflächen angekoppelten Ultraschallgeber 3 zu Schwingungen einer Frequenz von etwa 100 MHz angeregt wird und währenddessen auf die zu kristallisierende Schicht 2 ein Laserimpuls der Dauer von 1 ms und die Energiedichte von etwa 100 J/cm² einwirkt. Die Intensität des in das System Träger—Schicht eingekoppelten Ultraschallfeldes sei dabei so groß, daß die Druckamplitude in der umzuwandelnden Schicht den Wert von 10⁷ N/m² erreicht. Das Ultraschallfeld kann dabei erfindungsgemäß entweder ein fortschreitendes Wellenfeld sein, indem an den nicht für die Einkopplung des Schalls benötigten Stirnflächen des Trägers 1 Schallabsorber 4 gebracht werden, oder es kann ein stehendes Wellenfeld longitudinaler Eigenschwingungen des Trägers sein, indem auf die Schallabsorber 4 verzichtet wird.

Eine weitere zweckmäßige Variante der Realisierung der dargelegten Erfindung besteht darin, daß eine auf den Träger 1 aufgebrachte Siliziumschicht 2 beliebiger Struktur und der Dicke 2μ.ιτι durch Anwendung der Ionenimplantation vollständig in den amorphen Zustand überführt wird und die Formierung zu einer Polysiliziumschicht weitgehend einheitlicher Kristallitgröße durch Einwirkung eines Laserimpulses erfolgt. Die Umwandlung dieser formierten Schicht in eine solche einkristalliner Struktur erfolgt dann nach dem im ersten Beispiel spezifizierten Verfahren. Eine weitere Möglichkeit der Umwandlung der formierten Siliziumschicht besteht darin, ein Druckfeld in Gestalt einer die Schicht in lateraler Richtung durchlaufenden Deformationsschockwelle dergestalt zur Anwendung zu bringen, daß während der Einwirkung eines Laserimpulses der Dauer von 1 ms und der Energiedichte von 100 J/cm² auf die zu kristallisierende Schicht 2 auf eine der Stirnflächen des Trägers 1 ein Laserimpuls der Dauer von 10 ns und einer Leistungsdichte von 10 GW/cm² einwirkt, der die Deformationsschockwelle hervorruft.

Vorteilhaft läßt sich die dargelegte Erfindung auf die Erzeugung einkristallinen Bandsiliziums anwenden, indem nach herkömmlichen Methoden erzeugtes Bandsilizium durch kombinierte Einwirkung eines Ultraschallfeldes und eines CO₂-Laserstrahles in solches einkristalliner Struktur umgewandelt wird. Zur Realisierung dieses Verfahrens wird das umzuwandelnde Bandsilizium 5 an einem feststehenden Ultraschallgeber 6 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s vorbeibewegt. Die durch den Ultraschallgeber 6 erzeugten Schallwellen durchlaufen das Silizium quer zu seiner Bewegungsrichtung. Die kurzzeitige Aufheizung des Materials wird hierbei zweckmäßigerweise durch einen ebenfalls feststehenden Laserstrahl 7 bewirkt, der die Form eines quer zur Bewegungsrichtung über dem Silizium liegenden Streifens der Breite von 1 mm besitzt.

Claims (6)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten oder Bänder aus amorphem oder polykristallinem Material, dadurch gekennzeichnet, daß dem Material während der Einwirkung eines orts- und zeitabhängigen Durckfeldes gleichzeitig impulsweise Wärmeenergie zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Isolator oder Halbleiter ist.
3. 3. Verfahren nach Pkt. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie mittels elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Pkt. 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfeld ein stehendes oder fortschreitendes Ultraschallfeld ist.
5. 5. Verfahren nach Pkt.3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfeld eine oder mehrere das Material durchlaufende Schockwellen sind.
6. 6. Verfahren nach Pkt.4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das jeweilige Materialgebiet die notwendige Wärmeenergie durch gepulste Strahlung oder durch einen schreibenden kontinuierlichen Strahl geliefert wird.