DE19648901A1 - Verfahren zur lateral gerichteten Stoffumwandlung in Dünnschichten mittels elektrischen Stromes - Google Patents

Description

Dünnschichten werden auf Substraten (Trägermaterialien) mit Verfahren wie Verdampfen, Kathodenzerstäubung, etc. abgeschieden. Um eine Stoff­ umwandlung oder Kristallisation in den Dünnschichten zu erreichen, ist oft eine Erwärmung notwendig.

Herkömmliche Verfahren zur Erwärmung beruhen auf der Verwendung von äußeren Wärmequellen, z. B. Öfen, in welchen der Wärmetransport durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung erfolgt. Hierbei wird die Schicht lateral gleichmäßig erwärmt. Die Bereiche, in welchen die Stoffumwandlung bereits stattgefunden hat, werden genauso erwärmt wie solche, in welchen noch das Ausgangsmaterial vorliegt. Falls die Erwärmung hauptsächlich durch Strahlung (Laser, Lampen, etc.) und nur kurzzeitig erfolgt, kann verhin­ dert werden, daß sich ein Strahlungsgleichgewicht einstellt. Eine Erhöhung der optischen Absorption durch die Stoffumwandlung führt zu einer wei­ teren Erwärmung der bereits umgewandelten Bereiche. Eine Erniedrigung der optischen Absorption führt zu einer Abkühlung. Unter Ausnutzung sol­ cher Absorptionsänderungen kann eine gerichtete Umwandlung stattfinden. Eine gerichtete Stoffumwandlung ist außerdem möglich, wenn die Schicht nur lokal der Wärmequelle ausgesetzt und die Erwärmungszone durch äuße­ re Steuerung über die Schicht bewegt wird, was einen erheblichen techni­ schen Aufwand erfordert. Eine gerichtete Stoffumwandlung ist deshalb mit Verfahren, welche auf der Verwendung von Öfen beruhen, nur schwer zu erreichen.

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur lateral gerichteten Erwärmung in Dünnschichten und eine damit verbundene Stoffumwandlung. Die Erwärmung soll dadurch gerichtet stattfinden, daß bei dem Verfahren die Änderung der Materialeigenschaften während des Prozesses zu einer Selbst­ regelung der Stoffumwandlung führt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfah­ ren mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 1 bis 6 gelöst.

Bei dem Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, wird elektrischer Strom durch eine Dünnschicht des umzuwandelnden Materials geleitet. Dies führt wegen der elektrischen Verluste zu einer Erwärmung der Schicht. Die Stromdichte in der Schicht ist dabei lokal abhängig von dem lokal bestehen­ den spezifischen elektrischen Widerstand.

Für die Erfindung geeignete Stoffe zeichnen sich dadurch aus, daß bei einer bestimmten Temperatur eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit auf­ tritt. In diesem Fall kann es zu einer lateral inhomogene Stromverteilung und damit zu einer inhomogenen Erwärmung der Schicht kommen. Bei geeigne­ ter Wahl der geometrischen und elektrischen Parameter wird eine lateral gerichtete Stoffumwandlung erzielt.

Das Verfahren der Erfindung ist durch eine Selbstregelung des Umwand­ lungsprozesses gekennzeichnet, welche darauf beruht, daß der elektrische Strom die Erwärmung bewirkt, welche wiederum die örtliche Verteilung des Stromes beeinflußt. Dieser Vorgang wird weiter unten an den Anwendungs­ beispielen erläutert.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß prinzipiell nur die Dünnschicht selbst geheizt wird und nicht noch zusätzlich die Umgebung, wie dies bei einem Ofen der Fall ist.

Das Fortschreiten des Umwandlungsprozesses kann zudem verfolgt werden, indem man mit geeigneten Strahlungsdetektoren die räumliche Ausdehnung der Erwärmungszone beobachtet.

Eine mögliche Anwendung des Verfahrens ist die Kristallzucht. Kristallines Wachstum ist i.a. ein gerichtetes Wachstum, welches an einer stelle be­ ginnt und dann von dort aus fortschreitet, indem die Kristallbausteine in einen anderen Ordnungszustand überführt werden. Das Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, führt zu einer gerichteten Stoffumwandlung und kann daher insbesondere genutzt werden, um kristallines Wachstum in Dünnschichten zu erzielen.

Beschreibung und Anwendungsbeispiele

Im folgenden soll das Verfahren an zwei konkreten Beispielen erklärt wer­ den. Eine Versuchsanordnung für beide Beispiele ist in Abb. 1 gezeigt. Als Substrat wird eine elektrisch isolierende Scheibe verwendet. Auf diese wer­ den mit geeigneten Abscheideverfahren die Dünnschichten und die Kontakte aufgebracht. Die Kontakte werden mit der Stromversorgung verbunden.

Die Dünnschicht ist in dem ersten Beispiel so beschaffen, daß sie bei Tempe­ raturerhöhung einen Übergang vom niederohmigen zum hochohmigen Zu­ stand erfährt. Im zweiten Beispiel erfolgt der Übergang umgekehrt vom hochohmigen zum niederohmigen Zustand.

1. Anwendungsbeispiel: Umwandlung niederohmig → hochohmig

Die Numerierung der nachfolgenden Punkte bezieht sich auf die in Abb. 2 gezeigten Bilder.

• 1. Die Schicht wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung geheizt. Der Stromfluß durch die niederohmige Schicht und deren Temperatur ist homo­ gen über die gesamte Fläche.
• 2. An einer Stelle in der Schicht wird die für die Stoffumwandlung erforder­ liche Temperatur zuerst erreicht. In dieser Umwandlungszone entsteht hoch­ ohmiges Material.
• 3. Wegen des höheren Widerstandes verringert sich die Stromdichte in der Umwandlungszone gegenüber dem Rest der Schicht. Dadurch wird die Stromdichte am Rand der Umwandlungszone erhöht, was dort zu einer stärkeren Erwärmung führt. Die Umwandlung findet bevorzugt am Rand der Umwandlungszone senkrecht zur Stromrichtung statt und schreitet ge­ richtet fort zum Rand der Dünnschicht.
• 4. Die Umwandlungszone erreicht letztlich den Rand der Dünnschicht und der Stromfluß wird wieder homogen.
• 5. Eine Erhöhung der in der Probe umgesetzten elektrischen Leistung führt zu einer Ausdehnung der Umwandlungszone nach beiden Seiten parallel zur Stromflußrichtung.
• 6. Die Umwandlungszone erreicht den Rand der Dünnschicht. Der Umwand­ lungsprozeß ist abgeschlossen.

2. Anwendungsbeispiel: Umwandlung hochohmig → niederohmig

Die Numerierung der nachfolgenden Punkte bezieht sich auf die in Abb. 3 gezeigten Bilder.

• 1. Die Schicht wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung geheizt. Der Stromfluß durch die hochohmige Schicht und deren Temperatur ist homogen über die gesamte Fläche.
• 2. An einer Stelle in der Schicht wird die für die Stoffumwandlung erforder­ liche Temperatur zuerst erreicht. In dieser Umwandlungszone entsteht nieder­ ohmiges Material.
• 3. Wegen des geringeren Widerstandes erhöht sich die Stromdichte in der Umwandlungszone gegenüber dem Rest der Schicht. Dadurch wird die Stromdichte am Rand der Umwandlungszone erhöht, was dort zu einer stärkeren Erwärmung führt. Die Umwandlung findet bevorzugt am Rand der Umwandlungszone parallel zur Stromrichtung statt und schreitet ge­ richtet fort zum Rand der Dünnschicht.
• 4. Die Umwandlungszone erreicht letztlich den Rand der Dünnschicht. Der Stromfluß findet nun hauptsächlich über die niederohmige Zone statt.
• 5. Eine Erhöhung der in der Probe umgesetzten elektrischen Leistung führt zu einer Ausdehnung der Umwandlungszone nach beiden Seiten senkrecht zur Stromflußrichtung.
• 6. Die Umwandlungszone erreicht den Rand der Dünnschicht. Der Umwand­ lungsprozeß ist abgeschlossen.

Aus den obenstehend erläuterten Vorgängen ergeben sich verschiedene An­ forderungen an das Verfahren:

• - Je nach Eigenschaften der verwendeten Dünnschichtmaterialien (me­ tallisch, halbleitend, Übergang bei der Umwandlung zwischen diesen beiden Leitungsarten) muß Spannungs-, Strom- oder Leistungsrege­ lung für den Prozeß verwendet werden.
• - Da die Umwandlungszone während des Prozesses ihre Ausdehnung ändert, muß darauf geachtet werden, daß die Flächenleistung nicht lokal so groß wird, daß die Schicht durch Überhitzung zerstört wird.
• - Das Substrat, auf welches die Dünnschicht aufgebracht wird, muß zu jedem Zeitpunkt des Prozesses einen höheren elektrischen Widerstand als die Dünnschicht besitzen, um zu gewährleisten, daß der Strom hauptsächlich über die Dünnschicht fließt.
• - Das Substrat muß eine ausreichende Temperaturstabilität besitzen um den beim Prozeß auftretenden Temperaturen zu widerstehen. Das Substrat muß außerdem chemisch inert sein, um die Eigenschaften der Dünnschicht nicht zu beeinflussen.
• - Die Dünnschicht muß einen temperaturabhängigen Sprung des elektri­ schen Widerstandes aufweisen. Ein solcher Sprung kann verschiedene Ursachen haben:
• - Übergang eines Stoffes zwischen amorpher und kristalliner Pha­ se (Beispiel: Bei Halbleitern zeigt die amorphe Phase i.a. einen höheren spezifischen Widerstand als die kristalline Phase dessel­ ben Halbleiters.)
• - Interdiffusion von verschiedenen Dünnschichtlagen und damit verbundene Bildung eines neuen Stoffes (Beispiel: Festphasenre­ aktion zwischen Silizium und Übergangsmetallen unter der Bil­ dung von Siliziden.)
• - Wechsel der Kristallstruktur in einem Material und damit ver­ bundener Übergang zwischen metallischer und halbleitender Leitfähigkeit.

Ein Beispiel für die beiden letztgenannten Punkte ist das System Eisen/Silizium. Eisen und Silizium bilden bei Erwärmung durch In­ terdiffusion das metallische Silizid FeSi. Dieses reagiert bei höherer Temperatur mit Silizium zum halbleitenden Silizid β-FeSi₂. Bei wei­ ter erhöhter Temperatur bildet sich daraus durch Umwandlung der Kristallstruktur das wiederum metallische Silizid α-FeSi₂.

• - Die Stromdichte und der Spannungsabfall an den Kontakten muß aus­ reichend gering sein, um nicht zu einer Veränderung der Kontakte zu führen. Eine solche Veränderung könnte eintreten durch Schmelzen, Verdampfen, Oxidation oder Interdiffusion, welche mit einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes verbunden ist.
• - Die Geometrie des Substrates und der Dünnschicht muß so gewählt werden, daß die Wärmeableitung im Bereich der Umwandlungszone la­ teral gleichmäßig erfolgt. Anderenfalls wäre die Temperaturverteilung in der Schicht zu inhomogen für eine gleichmäßige Stoffumwandlung.

In den voranstehenden beiden Beispielen setzt die Stoffumwandlung spontan an einer Stelle der Probe ein, welche sich durch die Stromheizung am stärk­ sten erwärmt. Diese Stelle ist vorgegeben durch die Geometrie des Schicht­ systems, die Art der Wärmeableitung bzw. Wärmeabstrahlung oder Inho­ mogenitäten des Stromflusses.

Die Stelle kann aber auch vorgegeben werden durch zusätzliche externe Hei­ zung mit einer anderen Energiequelle. Durch einen fokussierten Lichtstrahl oder Laser kann lokal genügend Energie zugeführt werden, um die Stoffum­ wandlung vor oder während der Stromheizung zu induzieren. Die weitere Umwandlung findet dann von dieser Stelle ausgehend statt.

Die Regelung des elektrischen Stromes kann schwierig sein, wenn die Ände­ rung des spezifischen Widerstandes bei Erwärmung oder Stoffumwandlung groß ist. Durch eine zusätzliche Heizung mit elektromagnetischen Wellen oder durch Wärmeleitung kann die Temperatur der Dünnschicht in die Nähe der Umwandlungstemperatur gebracht werden. Damit sind geringere elek­ trische Leistungen für die Stromheizung nötig, womit sich die Stromregelung vereinfacht und der Umwandlungsprozeß stabiler wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Stoffumwandlung in Dünnschichtfilmen gekennzeichnet dadurch, daß die Stoffumwandlung mittels elektrischen Stromes er­ folgt, unter der Ausnutzung der Tatsache, daß mit einer temperatur­ abhängigen Stoffumwandlung in der Dünnschicht ein Sprung in der elektrischen Leitfähigkeit verbunden ist, der durch Selbstregelung zu einer lateral gerichteten Umwandlung der Schicht führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die umzu­ wandelnde Dünnschicht auf isolierendem, bzw. gegenüber der Dünn­ schicht hochohmigem Trägermaterial aufgebracht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Um­ wandlung an der Stelle beginnt, an welcher geometriebedingt die Tem­ peratur bei reiner Stromheizung am höchsten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätz­ liche Heizung der Dünnschicht durch elektromagnetische Wellen oder durch auf Wärmeleitung beruhende Öfen verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Um­ wandlung an einer Stelle beginnt, an welcher mit einer anderen Ener­ giequelle (z. B. Laser) Energie zugeführt wird oder vorher zugeführt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Schicht­ materialien Eisen mit Silizium oder daraus gebildetes Eisensilizid ver­ wendet werden.