DE102011100056A1

DE102011100056A1 - Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht

Info

Publication number: DE102011100056A1
Application number: DE102011100056A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kegel; Jürgen Niess; Alexander Gschwandtner; Wilfried Lerch
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG; HQ Dielectrics GmbH
Current assignee: HQ Dielectrics GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-04-30
Also published as: WO2012146396A1; DE102011100056B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Silizium-Schicht auf einem Substrat beschrieben. Bei dem Verfahren wird die Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt und ein mikrowelleninduzierten Plasmas benachbart zur Schicht erzeugt, um an der Oberfläche der Schicht ein elektrisches Feld zu erzeugen, und um durch dieses elektrische Feld eine Kristallisation der Schicht zu stimulieren

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht auf einem Substrat.
Es ist in unterschiedlichen technischen Gebieten bekannt, polykristalline Siliziumdünnfilme einzusetzen. Hierbei besteht häufig der Wunsch nach möglichst großen Kristalliten, beispielsweise für TFT-Transistoren. In ähnlicher Weise werden auch Kristallite in Schichten gewachsen für thermoelektrische Anwendungen.
Als Ausgangsmaterialien für solche polykristallinen Siliziumdünnfilme dienen unter anderem abgeschiedene oder gesputterte amorphe oder mikrokristalline dotierte oder undotierte Siliziumschichten. Diese können beispielsweise durch CVD, PECVD oder PVD auf Substraten, wie beispielsweise Glassubstraten oder gar auf Plastikfolien hergestellt werden. Für einige Anwendungen werden auch Saphir, Silizium oder andere teurere Materialien als Substrat benutzt. Anstelle von Silizium Filmen sind auch andere amorphe oder polykristalline Filme als Ausgansmaterialien denkbar, wie z. B. SiGe, CuInGaSe, CuInGaS, CdTe, etc. Nachfolgend wird exemplarisch die Erfindung anhand von Siliziumfilmen beschrieben.
In der Siliziumschicht kann anschließend ein Kristallit-Wachstum induziert werden, das anschließend als Kristallisation bezeichnet wird. Dabei soll der Begriff Kristallisation sowohl eine ursprüngliche Kristallisation als auch eine Rekristallisation der Si-Schicht umfassen. Hierfür sind unterschiedliche Verfahren bekannt, wie beispielsweise eine thermische Behandlung in einem neutralen Gas. So ist es beispielsweise bekannt, bei Glasplatten (als Substrat) eine Temperaturbehandlung in einem Temperaturbereich von 650° bis 680°C durchzuführen. Bei dieser Temperatur schreitet die Kristallisation jedoch relativ langsam fort. Bei hochwertigeren Substraten können auch höhere Temperaturen eingesetzt werden, wodurch das Wachstum beschleunigt werden kann, aber auch erhöhte Kosten für das Substrat mit sich zieht.
Darüber hinaus ist beispielsweise auch ein über einen Excimerlaser angeregte Kristallisation bekannt, die jedoch eine kostenintensive Laservorrichtung benötigt.
Auch ist eine metallinduzierte laterale Kristallisation bekannt. Hierbei ist es insbesondere bekannt, dass Nickel die Kristallisation durch Diffusion in die Siliziumschicht verbessert. Hierbei werden in der Regel beabstandete Nickelstreifen auf die Siliziumschicht aufgebracht, welche zu einer lateralen Diffusion von Nickel in die Schicht führen, welches die Kristallisation fördert. Aus dem Artikel "Electric field-enhanced metal-induced lateral crystallization and P-channel poly-Si TFTs fabricated by it" von Xiangbin Zeng et al, veröffentlicht im Microelectronics Journal 39 (2008) 1189–1194 ist darüber hinaus beschrieben, dass die metallinduzierte Kristallisation über das Anlegen eines elektrischen Feldes noch weiter verbessert werden kann. Bei diesem Verfahren dienen die Nickelstreifen gleichzeitig als Nickelquelle und als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht vorzusehen, das insbesondere die thermisch induzierte Kristallisation verbessert.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht auf einem Substrat gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt, und für eine vorbestimmte Zeitdauer auf dieser gehalten. Während des Erwärmungsvorgangs und/oder während des Haltens auf der vorbestimmten Kristallisationstemperatur wird ein Mikrowellenplasma benachbart zur Schicht erzeugt. Ein solches Plasma ist in der Lage, ein starkes elektrostatisches Feld an der Schichtoberfläche aufzubauen, das die Kristallisation der Schicht fördert, Hierdurch kann die Temperatur verringert werden und/oder bei gleicher Temperatur die Kristallisation beschleunigt werden. Insbesondere können gegebenenfalls auch größere Kristallite erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Plasma aus einem neutralen Gas erzeugt, um außerhalb des Kristallisationsvorgangs keine weiteren Reaktionen zu bewirken.
Vorteilhafterweise ist das Plasma ein mikrowellenerregtes Plasma, das mit einer stabförmigen Mikrowellenelektrode mit einem Außenleiter und einem Innenleiter erzeugt wird. Das Mikrowellenplasma kann in besonders geeigneter weise kontrolliert ein starkes elektrostatisches Feld an der Schichtoberfläche aufbauen. Die Mikrowellenelektrode des obigen Typs ermöglicht auf einfache Weise eine einseitige Anordnung der erforderlichen Bauteile. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Abstand zur Mikrowellenelektrode und der Schicht während des Verfahrens verändert, um hierüber das Kristallwachstum zu beeinflussen. Insbesondere wird der Abstand in einem Bereich verändert, bei dem sich primär Elektronen an der Oberfläche der Schicht befinden.
Die Schicht kann auch in Kontakt mit einem anderen Element stehen, welches die Kristallisation fördert. Insbesondere kann die Schicht mit Nickel, insbesondere zwei voneinander beabstandeten Nickelstreifen in Kontakt stehen. Hierdurch kann die Geschwindigkeit der Poly-Si-Rekristallisation oder insbesondere auch der Metall-induzierten Rekristallisation unter Anwendung von einem äußeren elektrischen Feld sehr stark erhöht werden. Gleichzeitig bedeutet das auch, dass alternativ, oder zusammen mit der Zeitreduktion auch die Umwandlungstemperatur reduziert werden kann. Eine schnellere Prozessführung mit niedrigerer Temperatur und besserer Poly-Si-Qualität ist zu erwarten. Bevorzugt ist die Schicht eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht. Alternativ kann die Schicht beispielsweise auch aus der Gruppe der folgenden Materialien: SiGe, CuInGaSe, CuInGaS, CdTe ausgewählt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer Siliziumschicht;
2 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Vorrichtung zum Induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer Siliziumschicht:
3a und 3b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat darstellen;
4a und 4b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einer elektrischen Vorspannung eines Gitters, das zwischen Plasmaelektrode und Substrat liegt, darstellen.
Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen bezeichnen können.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder mikrokristallinen Siliziumschicht 2a auf einem Substrat 2. Die Vorrichtung 1 besitzt ein nur im Umriss angedeutetes Vakuumgehäuse 3, das eine langgestreckte Prozesskammer 4 des Durchlauftyps definiert. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Transportmechanismus 6, eine Plasmaeinheit 8, sowie eine Heizeinheit 10 auf. Zusätzlich kann auch eine Kühleinheit vorgesehen sein, die gemeinsam mit der Heizeinheit eine Temperiereinheit bildet.
Als Substrate 2 können in der Vorrichtung 1 unterschiedliche Substrate und insbesondere Glassubstrate mit einer amorphen oder mikrokristallinen Siliziumschicht 2a behandelt werden. Natürlich können auch andere Substrate 2 eingesetzt werden, die eine amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht 2a tragen. Während der Beschichtung kann das Substrat von einem nicht dargestellten Schutzelement wenigstens teilweise umgeben sein, das in derselben Ebene wie das Substrat liegt, um Randeffekte bei der Behandlung zu vermeiden. Hierbei dient das Schutzelement im Wesentlichen dazu die physikalische Oberfläche des Substrats virtuell zu vergrößern. Das Vakuumgehäuse 3 besitzt geeignete, nicht gezeigte Schleusen zum Ein- und Ausbringen der Substrate 2 in die Prozesskammer 4.
Die Prozesskammer 4 wird unter anderem durch eine obere Wand 12 sowie eine untere Wand 14 begrenzt. Die obere Wand 12 ist beispielsweise aus Aluminium aufgebaut und derart behandelt, dass Metallverunreinigungen oder Partikel in der Prozesskammer vermieden werden. Die obere Wand 12 besitzt einen schrägen Abschnitt, der bezüglich der unteren Wand 14 abgewinkelt ist, sowie einen sich im Wesentlichen zur unteren Wand parallel erstreckenden Abschnitt, wie in 1 deutlich zu erkennen ist. Dabei ist der schräge Wandabschnitt so angeordnet, dass sich die Prozesskammer von links nach rechts – wie nachfolgen noch näher erläutert wird von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende – verjüngt. Der gerade Bereich schließt sich dann an diesen schrägen Bereich an. Alternativ kann auch nur ein gerader Wandabschnitt vorgesehen sein, die Abschrägung am Ausgangsende oder an beiden Enden angebracht sein.
Die untere Wand 14 erstreckt sich gradlinig und ist beispielsweise aus Quarzglas aufgebaut, um elektromagnetische Strahlung hindurchleiten zu können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Im Bereich der unteren Wand 14 ist eine Vakuumpumpe 16 vorgesehen, über die die Prozesskammer 4 abgepumpt werden kann. Die Pumpe kann aber auch an einem anderen Ort vorgesehen sein und es können auch mehrere vorgesehen sein. Ferner ist im Bereich der unteren Wand 14, ein Pyrometer 18 für eine Temperaturmessung des Substrats 2 vorgesehen. Statt eines Pyrometers kann aber auch eine andere Temperaturmessvorrichtung an einem anderen Ort der Prozesskammer oder auch direkt am Substrat 2 vorgesehen sein, die zum Beispiel auch von oben her die Temperatur des Substrats 2 misst. Es können auch mehrere Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sein. Die Prozesskammer 4 verfügt darüber hinaus über wenigstens eine nicht gezeigte Gaszuleitung, über die ein Gas, insbesondere ein neutrales Gas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden kann.
Die Transporteinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem Endlostransportband 20, das über eine Vielzahl von Umlenk- und/oder Transportrollen 22 umlaufend geführt ist. Die normale Umlaufrichtung für eine Behandlung des Substrats 2 ist dabei im Uhrzeigersinn, aber es ist auch möglich das Transportband entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufend zu bewegen. Dabei ist ein oben liegendes Transporttrum des Transportbandes 20 derart angeordnet, dass es sich geradlinig durch die Prozesskammer 4 hindurch erstreckt. Somit wird ein Substrat 2 von links nach rechts durch die Prozesskammer 4 hindurch bewegt. Die Rückführung des Transportbandes 20 erfolgt außerhalb der Prozesskammer 4. Das Transportband 20 besteht aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material. Das Transportband 20 sollte möglichst vollständig innerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sein, kann aber bei einer geeigneten Anordnung auch wenigstens teilweise außerhalb des Vakuumbereichs liegen. Statt eines Transportbandes 20 kann die Transporteinheit 6 beispielsweise auch einen anderen Transportmechanismus, wie beispielsweise Transportrollen oder auch eine Magnetführung aufweisen.
Die Transporteinheit 6 kann optional als Ganzes auf und ab bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil A angezeigt ist. Hierdurch ist es, möglich die Transporteinbeit 6 und insbesondere dessen Transporttrum näher an der oberen Wand 12 oder der unteren Wand 14 zu platzieren, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Innerhalb der Prozesskammer 4 ist ferner die Plasmaeinheit 8 angeordnet. Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24. Die Plasmaelektroden sind vorzugsweise als stabförmige Mikrowellenapplikatoren ausgebildet, die einen Außenleiter und einen Innenleiter aufweisen. Der Außenleiter ist so ausgestaltet, dass er eine Auskopplung der Mikrowellen aus dem Zwischenbereich zwischen Innen- und Außenleiter ermöglicht, um Außerhalb dieses Bereichs ein Plasma zu bilden, dass beispielsweise die stabförmige Plasmaelektrode in Radialrichtung umgibt. Insbesondere kann die Plasmaelektrode des Typs sein, wie er in der WO 2010/015385 A beschrieben ist.
Dabei sind die Mikrowellenapplikatoren vorzugsweise insbesondere derart aufgebaut, dass Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen senkrecht nach unten, das heißt in Richtung der unteren Wand 14 austreten können. Zusätzlich können eine oder mehrere Plasmazündvorrichtung(en) vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, Plasmaelektroden 24 unterschiedlichen Typs innerhalb der Prozesskammer 4 anzuordnen.
Der Aufbau der Plasmaelektroden und die Prozessbedingungen in der Prozesskammer 4 können so gewählt werden, dass ein Plasma in seiner Ausdehnung begrenzt wird und nicht mit Wänden der Prozesskammer in Berührung kommt.
Die stabförmigen Plasmaelektroden 24 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Zeichnungsebene quer durch die Prozesskammer 4. Von links nach rechts, d. h. von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende der Prozesskammer 4 sind die Plasmaelektroden jeweils gleichmäßig beabstandet der Kontur der oberen Wand 12 folgend angeordnet. Hierdurch ist die dem Eingangsende der Prozesskammer 4 am nächsten liegende Plasmaelektrode 24 am weitesten vom Transporttrum des Transportbandes 20 entfernt. Zur Mitte der Prozesskammer hin sind die Plasmaelektroden 24 dann immer näher zum Transportband 20 hin angeordnet, und ab der Mitte sind sie dann jeweils mit gleichem Abstand zum Transportband hin angeordnet. Hierdurch verändert sich der Abstand zwischen Substrat 2 und unmittelbar darüber liegender Plasmaelektroden 24 während der Bewegung durch die Prozesskammer 24 hindurch. Es ist aber auch möglich die Plasmaelektroden jeweils auf einer gleichbleibenden Höhe über dem Transportband 20 anzuordnen.
Die Heizeinheit 10 besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die elektromagnetische Strahlung zum Heizen des Substrats 2 in Richtung der Prozesskammer 4 emittieren. Hierzu lassen sich bevorzugt Halogen und/oder Bogenlampen 31 einsetzen, wie sie beispielsweise auch üblicherweise in Schnellheizanlagen eingesetzt werden. Die Lampen 31 können optional in Quarzröhren 32 aufgenommen sein, um eine Isolierung gegenüber Prozessgasen und/oder Unterdruckverhältnissen im Bereich der Prozesskammer 4 vorzusehen. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, wenn die Strahlungsquellen direkt innerhalb der Prozesskammer 4 aufgenommen sind. Das heißt nicht über die untere Wand 14 von dieser getrennt sind. Alternativ oder auch zusätzlich können auch Heizlampen oberhalb der Transporteinheit 6 angeordnet sein, zum Beispiel auch zwischen den Plasmaelektroden 24.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Vorrichtung 1 zur Festphasenkristallisation einer Schicht auf einem Substrat 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
Die Vorrichtung 1 besitzt wieder ein Gehäuse, das nur sehr schematisch bei 3 dargestellt ist. Das Gehäuse 3 ist wiederum als ein Vakuumgehäuse ausgefüllt, und kann über eine nicht mehr dargestellte Vakuumeinheit auf Vakuumdruck abgepumpt werden.
Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 6, eine Plasmaeinheit 8 sowie eine Heizeinheit 10. Die Trageinheit 6 besitzt eine Substratauflage 40, die über eine Welle 42 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil B dargestellt ist. Die Welle 42 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 42 und somit die Auflage 40 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 40 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Plasmaeinheit 8 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24, die desselben Typs sein können, wie zuvor beschrieben. Die Plasmaelektroden können optional über jeweilige Führungen 46 individuell auf und ab verschiebbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen sein, wie durch den Doppelpfeil D angezeigt ist. In einem solchen Fall könnte die Auf- und Ab-Bewegbarkeit der Trageinheit 6 entfallen, sie kann aber auch zusätzlich vorgesehen werden. Hierdurch sind lokale Änderungen des Abstands zwischen Plasmaelektrode 24 und dem Substrat 2 möglich. Insbesondere ist es hierdurch möglich in Kombination mit der Rotation eines Substrats 2 durch die Trageinheit 6 zum Beispiel in einem Randbereich der Substrate 2 größere oder kleinere Abstände im Vergleich zu einem Mittelbereich davon vorzusehen. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Plasmaelektroden 24 und/oder die Lampen 31 über die Abmessungen des Substrats 2 hinweg gehen, Auch hier kann eine Schutzvorrichtung vorgesehen sein, welche das Substrat 2 wenigstens teilweise in seiner Ebene umgibt, um Randeffekte zu vermeiden. Die Schutzvorrichtung kann hinsichtlich der Rotation statisch oder auch rotierbar angeordnet sein.
Alternativ oder auch zusätzlich zu den dargestellten Stellvorrichtungen für das Substrat 2 und oder die Plasmaelektroden 24 ist es auch möglich zwischen Plasmaelektroden 24 und Substrat 2 ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorzusehen. Dies kann dann beispielsweise über eine entsprechend Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen beaufschlagt werden. Sowohl eine Abstandeinstellung zwischen Plasmaelektrode 24 und Substrat 2 als auch eine Beaufschlagung eines oben beschriebenen Gitters mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen kann die Wechselbeziehung zwischen Plasma und Substrat beeinflussen, wie nachfolgend näher erläutert wird. Ebenso kann das Substrat zusätzlich elektrisch vorgespannt werden, so dass der Effekt dadurch noch weiter verstärkt wird.
Die Heizeinheit 10 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die parallel oder auch senkrecht zu den Plasmaelektroden 24 angeordnet sein können. Die Strahlungsquellen weisen jeweils eine Lampe, wie beispielsweise eine Bogen- oder Halogenlampe auf, die von einer Quarzröhre 32 umgeben ist. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 40 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 40 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 40 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 40 erwärmen, die dann das Substrat 2 erwärmen würde. Alternativ könnte aber zum Beispiel euch eine Widerstandsheizung in der Auflage 40 angeordnet sein, und die Strahlungsquellen könnten optional entfallen.
Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise wenigstens eine Temperaturmesseinheit auf, um die Temperatur des Substrats 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann an eine nicht dargestellte Steuereinheit weitergeleitet werden, die dann anhand einer Temperaturvorgabe die Heizeinheit 10 entsprechend regeln kann, um eine vorbestimmte Temperatur des Substrats zu erhalten, wie es in der Technik bekannt ist.
Der Betrieb der Vorrichtung gemäß der 1 und 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass das Substrat 2 jeweils ein Glassubstrat ist, das eine amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht 2a trägt. In der Siliziumschicht 2a soll während des nachfolgend beschriebenen Prozesses eine Kristallisation induziert werden.
Hierzu wird in die Prozesskammer 4, in der ein Unterdruck herrscht ein neutrales Gas, wie beispielsweise Argon oder Helium oder auch N₂, H₂, oder eine Mischung dieser eingeleitet. Anschließend wird im Bereich der Plasmaelektroden 24 jeweils ein Plasma des Gases erzeugt.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird das Substrat 2 über das Transportband 20 von links nach rechts durch die Prozesskammer hindurch geleitet, während unterhalb der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein entsprechendes Plasma brennt. Über die Heizeinheit 10 wird das Substrat 2 und die darauf befindliche Siliziumschicht 2a auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt, die beispielsweise zwischen 150 und 800°C, insbesondere zwischen 500 und 700°C liegt. Dabei ist die Temperatur teilweise von der verwendeten Schicht und wenigstens teilweise von dem verwendeten Substrat und dessen thermischer Beständigkeit abhängig. Verglichen mit einer rein thermischen Kristallisation kann die Kristallisationstemperatur (bei gleichbleibender Geschwindigkeit) um wenigstens 50 K verringert werden. Für Substrate aus Saphir, Silizium oder auch Quarzglas können auch höhere Temperaturen verwendet werden. Die Substrate können auch schon bevor sie in den Bereich der Plasmaelektroden 24 gelangen über nicht näher dargestellte Heizelemente auf die Kristallisationstemperatur oder eine andere Temperatur vorgeheizt sein.
Wie zu erkennen ist, sind die links liegenden Plasmaelektroden 24, das heißt im Eingangsbereich liegenden Plasmaelektroden 24 weiter von dem Substrat 2 entfernt, als die rechts, das heißt im Ausgangsbereich der Prozesskammer 4 liegenden Plasmaelektroden 24, wenn es durch die Prozesskammer hindurch gefördert wird. Während das Substrat somit durch die Prozesskammer 4 hindurch befördert wird, verändert sich der Abstand der Plasmaelektroden zur Substratoberfläche. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche elektrische Felder auf der Substratoberfläche, welche die Kristallisation beeinflussen können. Insbesondere wird das elektrische Feld beim Durchlauf durch die Prozesskammer 4 zunächst ansteigen, bis es dann einen im Wesentlichen konstanten Wert erreichen wird.
Diese abstandsbedingten Einflüsse werden anhand der 3a und 3b näher erläutert, die unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat 320 in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen einer stabförmigen Plasmaelektrode 300 und dem Substrat 320 zeigen. Die stabförmige Plasmaelektrode 300 ist des Typs der in der WO 2010/015385 A beschrieben ist und die einen Innenleiter 304 und einen Außenleiter 306 aufweisen. In einem Mikrowellenauskopplungsbereich umgibt der Außenleiter 306 den Innenleiter 304 nicht vollständig. Vielmehr sieht der Außenleiter 306 eine sich zu einem freien Ende desselben vergrößernde Öffnung, die zum Substrat 320 weist, auf. 3a und 3b zeigen jeweils einen Querschnitt in diesem Auskopplungsbereich der Plasmaelektrode 300. Die Plasmaelektrode 300 ist jeweils von einem für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Hüllrohr 308 wie beispielweise einem Quarzrohr umgeben. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Plasmaelektrode 300 wird ein das Hüllrohr 308 radial umgebendes Plasma erzeugt, das aus Elektronen 310 und Ionen 314 besteht. Diese bilden im Wesentlichen eine Wolke um die Plasmaelektrode 300 herum, wobei die Elektronen- und Ionenkonzentration mit zunehmendem Abstand abnimmt.
Ferner zeigen die 3a und 3b jeweils einen Abschnitt eines Substrats 320, das zum Beispiel aus einer Glasplatte besteht und einer darauf befindlichen Siliziumschicht 324. Bei 326 sind positive Si-Ionen gekennzeichnet. Bei der Darstellung gemäß 3a ist die Plasmaelektrode mit einem Abstand D₁ zur Oberfläche der Siliziumschicht 324 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass eine hohe Konzentration der im Plasma vorhandenen Elektronen 310, und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Siliziumschicht 324 auftritt. Durch die hohe Beweglichkeit der Elektronen gelangen diese sehr schnell an die Oberfläche des Substrates. Hierdurch ergibt sich ein großes elektrisches Feld direkt an der Oberfläche der Siliziumschicht 324.
Bei der Darstellung gemäß 3b ist die Plasmaelektrode mit einem größeren Abstand D₂ zur Oberfläche der Siliziumschicht 324 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass im Wesentlichen kaum noch Elektronen 310, und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Siliziumschicht 324 auftreten. Hierdurch ergibt sich geringeres elektrisches Feld an der Oberfläche der Siliziumschicht 324.
Wie der Fachmann erkennen kann, kann die Abstandseinstellung somit das an der Oberfläche der Siliziumschicht 324 herrschende elektrische Feld und somit die Kristallisation beeinflussen. Insbesondere kann die Kristallisationsrate zunächst gering eingestellt und anschließend erhöht werden, um sie zu homogenisieren.
Bei der oben genannten Vorrichtung ist daher der Abstand zwischen Substrat 2 und Plasmaelektrode 24 im Eingangsbereich beispielsweise im Bereich von 4 bis 8 cm gewählt, um zunächst ein kleines elektrisches Feld vorzusehen. Im Ausgangbereich beträgt der Abstand hingegen beispielsweise 1 cm bis 4 cm (vorzugsweise ungefähr 2 cm), um hier ein starkes elektrisches Feld vorzusehen. Der Abstand wird bei der Bewegung des Substrats 2 durch die Prozesskammer 4 hindurch bis ungefähr zur Mitte der Prozesskammer hin verringert, und bleibt dann bis zum Ausgang im Wesentlichen konstant. Gegebenenfalls kann der Abstand auch noch über eine Bewegung des Transportbandes 20 verändert werden.
Über entsprechende Gaseinleitung können im Bereich der jeweiligen Plasmen unterhalb der Plasmaelektroden 24, die einander natürlich überlappen können, unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Die Plasmen können aber auch durch geeignete Trennelemente, wie zum Beispiel Glasplatten voneinander getrennt werden. Auch ist es möglich über die Heizeinheit 10 das Substrat während der Bewegung durch die Prozesskammer 4 hindurch unterschiedlich aufzuheizen, so dass es beispielsweise im Eingangbereich eine höhere Temperatur besitzt als im Ausgangbereich oder umgekehrt. Das Substrat kann auf einer konstanten Temperatur gehalten werden oder auch geheizt oder durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung gekühlt werden, sofern eine übermäßige Aufheizung durch das Plasma stattfindet. Hierdurch lassen sich die Kristallisationsprozesse weiter beeinflussen.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist das Substrat 2 auf der Trageinheit 6 angeordnet und wird während im Bereich der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma brennt über die unten liegende Heizeinheit 10 auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt. Für eine gleichmäßige Erwärmung und eine gleichmäßige Plasmaverteilung wird das Substrat 2 hierbei rotiert.
Der Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem Plasmaelektroden kann während der Kristallisation verändert werden. insbesondere kann der Abstand ausgehend von einem anfänglichen großen Abstand im Bereich von beispielsweise von 4 bis 8 cm auf einen kleinen Abstand im Bereich von beispielsweise 2 cm bis 4 cm verringert werden. Vorzugsweise wird der Abstand in einem Bereich von 6 bis 2 cm variiert. Während der Abstandsänderung ist es möglich zusätzlich unterschiedliche Prozessparameter betreffend die Plasmen, wie beispielsweise die Leistung der Plasmaelektroden 24, den Gasdruck, einen Gaszufluss als auch eine Gaszusammensetzung innerhalb der Prozesskammer 4 einzustellen.
Hierdurch lässt sich wiederum das elektrische Feld während der Kristallisation verändern und damit Einfluss auf die Kristallisation nehmen.
Das elektrische Feld kann alternativ zur Abstandseinstellung oder auch zusätzlich hierzu über ein Gitter aus einem elektrisch leitenden Material beeinflusst werden. Dies wird nachfolgend anhand der 4a und 4b, die ähnliche Darstellungen wie die 3a und 3b zeigen, näher erläutert. Insbesondere sind wiederum jeweils eine Plasmaelektrode 300 mit Innenleiter 304 und Außenleiter 306 und ein Substrat 320 mit einer Siliziumschicht 324 dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung der 3a und 3b ist der Abstand D zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jedoch in den 4a und 4b gleich.
Die Plasmaelektrode 300 umgebend ist jeweils ein Plasma aus Elektronen 310 und Ionen 314 dargestellt. Bei 326 sind wiederum positive Silizium Ionen dargestellt. Ferner ist zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jeweils ein Gitter 330 aus elektrisch leitendem Material dargestellt, das über eine nicht näher dargestellte Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrische Vorspannungen beaufschlagt werden kann. Wenn das Gitter potentialfrei ist, dann beeinflusst es das Plasma im Wesentlichen nicht und es ergibt sich die in 4a gezeigt Situation, die zu einer hohen Elektronen und Ionenkonzentration auf der Siliziumschicht führt. Wenn das Gitter hingegen mit einer positiven Spannung beaufschlagt oder geerdet wird, dann ergibt sich die in 4b gezeigte Situation in der primär nur wenige Elektronen und Ionen die Oberfläche der Siliziumschicht 324 erreichen. Um den Elektronenfluss zur Oberfläche des Substrats 320 zu beeinflussen kann auch optional der Abstand des Gitters 330 zur Oberfläche des Substrats 320 verstellt werden kann.
Das Plasma kann während des Prozesses gepulst betrieben werden. Die Gaszusammensetzung und/oder der Druck des Gases kann während des Prozesses angepasst werden. Die Plasmaelektroden 24 sowie die Lampen 31 können jeweils einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden. insbesondere ist es möglich, sie anhand mathematischer Funktionen, wie beispielsweise einer Linearfunktion, einer Exponentialfunktion, einer Quadratfunktion oder einer sonstigen Funktionen kontrolliert in ihrer Leistung zu steuern. Die Plasmaelektroden 24 oder auch die Bogenlampen/Halogenlampen 31 können dabei als Gruppen oder auch völlig unabhängig voneinander eingestellt werden, wenn dies durch einen entsprechenden Prozess vorgegeben ist.
Obwohl dies nicht näher dargestellt ist, kann die Siliziumschicht auch noch mit einem anderen Material als dem des Substrats in Verbindung stehen, das die Kristallisation fördert, wie zum Beispiel Nickel. Diese kann in bekannter Weise streifenförmig aufgebracht sein, um eine seitliche Kristallisation zu fördern, die wiederum durch die thermische Behandlung und das mikrowelleninduzierte Plasma weiter unterstützt wird.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/015385 A [0025, 0041]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Electric field-enhanced metal-induced lateral crystallization and P-channel poly-Si TFTs fabricated by it” von Xiangbin Zeng et al, veröffentlicht im Microelectronics Journal 39 (2008) 1189–1194 [0006]

Claims

Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Silizium-Schicht auf einem Substrat mit folgenden Schritten: Erwärmen der Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur; und Erzeugen eines mikrowelleninduzierten Plasmas benachbart zur Schicht, um an der Oberfläche der Schicht ein elektrisches Feld zu erzeugen, und um durch dieses elektrische Feld eine Kristallisation der Schicht zu stimulieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma aus einem neutralen Gas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mit einer stabförmigen Mikrowellenelektrode mit Außenleiter und Innenleiter erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abstand zwischen der Mikrowellenelektrode und der Schicht während des Verfahrens verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das an der Oberfläche der Schicht erzeugte elektrische Feld während der Behandlung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das elektrische Feld über eine Änderung des Abstands zwischen der Mikrowellenelektrode und dem Substrat und/oder eine an ein zwischen Mikrowellenelektrode und Substrat befindliches elektrisch leitendes Gitter angelegte Spannung verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht in Kontakt mit einem anderen Element, insbesondere Nickel, steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Kristallisationstemperatur im Bereich von 150° bis 800°C und insbesondere im Bereich von 500° bis 700°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zusammensetzung eines das Plasma bildenden Gases und/oder der Druck desselben während des Verfahrens verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht eine Siliziumschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden Materialien: SiGe, CuInGaSe, CuInGaS, CdTe.