DE19651003C2 - Process for the production of a flat single crystal on a foreign substrate - Google Patents
Process for the production of a flat single crystal on a foreign substrateInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Einkristalls aus amorphem oder polykristallinem Halbleitermaterial auf einem amorphen Fremdsubstrat durch Aufschmelzen eines punktförmigen Nukleationszentrums mittels Bestrahlung mit einem einzigen Laserlichtpuls vorgegebener Spotgröße und anschließendem linearem Vorantreiben einer sich bei der Wiederverfestigung bildenden schmalen Kristallisationsfront durch abwechselnd schrittweise Änderung des Bestrahlungsortes im Submikrometer bereich und Aussendung weiterer Laserlichtpulse.The invention relates to a method for producing a flat Single crystal of amorphous or polycrystalline semiconductor material on one amorphous foreign substrate by melting a punctiform Nucleation center by means of irradiation with a single laser light pulse given spot size and then linearly pushing yourself narrow crystallization front forming during reconsolidation alternating step by step change of the irradiation location in the submicrometer area and transmission of further laser light pulses.
Großflächige Einkristalle auf Fremdsubstraten gewinnen bei der Herstellung moderner Halbleiterbauelemente zunehmend an Bedeutung, da sie durch ihre ausgezeichneten Eigenschaften vielfältige Einsatzmöglichkeiten erlauben. Gerade im Hinblick auf Anordnungen, bei denen jeder Oberflächenbereich individuell genutzt werden soll, wie beispielsweise Mikroprozessoren, Speicherchips (RAM, SRAM, DRAM) oder Flachbildschirme mit integrierter Steuerung (Aktiv-Matrix-Displays mit Flüssigkristallen oder Elektrolumines zenzmaterial), ist es wesentlich, dass der eingesetzte Kristall keine Störungsstellen durch Korngrenzen aufweist. Aber auch bezogen auf die Kosten-Leistungsrelation, beispielsweise bei großflächigen Solarzellen, oder in der Mikrochipindustrie bieten sich großflächige Einkristalle auf Fremdsubstraten in besonderer Weise zum Einsatz an.Large-area single crystals on foreign substrates win during production modern semiconductor components are becoming increasingly important because of their excellent properties allow a variety of uses. Especially with regard to arrangements in which every surface area to be used individually, such as microprocessors, Memory chips (RAM, SRAM, DRAM) or flat screens with integrated Control (active matrix displays with liquid crystals or electrolumines zenzmaterial), it is essential that the crystal used does not Has defects due to grain boundaries. But also in relation to the Cost-performance ratio, for example for large-area solar cells, or in The microchip industry offers large single crystals on foreign substrates used in a special way.
Einkristalle wie z. B. Silizium oder Germanium werden üblicherweise mit dem Czochralski- oder Floatzoneverfahren aus der Schmelze hergestellt. Single crystals such as B. silicon or germanium are usually with Czochralski or float zone process made from the melt.
Verbindungshalbleiter wie z. B. Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumnitrid (GaN) werden mittels MBE (Molecular-Beam-Epitaxy), CVD (Chemical-Vapor- Deposition) und verwandter Methoden hergestellt. Im Falle von Silizium oder Germanium werden kleine Saatkristalle gleichen Materials verwendet, um die sogenannten Rohlinge aus der Schmelze zu ziehen. Bei der letztgenannten Methode hängt die Qualität des Einkristalls von dem verwendeten Substrat ab. Ist die Gitteranpassung zwischen Substrat und abgeschiedenem Film gut, so erhält man qualitativ hochwertiges Material. Ist die Gitteranpassung jedoch schlecht, wie z. B. Silizium auf Glas, dann wird das einkristalline Wachstum der Siliziumschicht gestört, und der resultierende Halbleiter ist polykristallin oder amorph. Amorphe Halbleiter auf amorphen Substraten können durch Festphasenkristallisation kristallisiert werden. Dabei wird der amorphe Halbleiter für eine vorgegebene Zeit auf Temperaturen weit unterhalb der Verflüssigungstemperatur geheizt. Das resultierende Halbleitermaterial ist in der Regel polykristallin mit Korngrößen bis zu 1 µm. Das Substrat muss jedoch hochtemperaturfest sein (T < 600°C).Compound semiconductors such as B. gallium arsenide (GaAs) or gallium nitride (GaN) are using MBE (Molecular Beam Epitaxy), CVD (Chemical Vapor Deposition) and related methods. In the case of silicon or Small seed crystals of the same material are used to make germanium pull so-called blanks from the melt. With the latter Method, the quality of the single crystal depends on the substrate used. If the lattice match between substrate and deposited film is good, then you get high quality material. However, the grid adjustment is bad, such as B. silicon on glass, then the single-crystal growth of Silicon layer disrupted, and the resulting semiconductor is polycrystalline or amorphous. Amorphous semiconductors on amorphous substrates can by Solid phase crystallization can be crystallized. The amorphous semiconductor for a predetermined time at temperatures well below that Condensing temperature heated. The resulting semiconductor material is in the Usually polycrystalline with grain sizes down to 1 µm. However, the substrate must be resistant to high temperatures (T <600 ° C).
Methoden, bei denen die Umwandlung über die Flüssigphase erfolgt, können bei niedrigeren Temperaturen erfolgen, so dass hier die Wahl des Substrats unabhängig von dessen Schmelztemperatur erfolgen kann. Die Gruppe der Niedertemperatur-Substrate, die thermisch bis zu 600°C belastet werden können, beinhaltet Corning-Glas, Metalle und Kunststoffe. Aus der US-PS 4,330,363 ist ein Verfahren zur Herstellung flächiger Einkristalle bekannt, bei dem auf einem Substrat aufgebrachte einzelne Inseln von umzuwandelndem Halbleitermaterial mit einem CW-(Continous Wave) Laser mit einem linien förmigen Spot, der an die Inselbreite angepasst ist, aufgeschmolzen werden. Ein großes Problem stellt hierbei jedoch die Erzeugung nur eines einzelnen Nukleationszentrums dar. Zur Vermeidung von Sekundärkeimen durch frühzeitige Solidifikation aufgrund von zu schneller Wärmeabfuhr werden aufwendige Maßnahmen, beispielsweise in Form von zusätzlichen Wärmeleitschichten oder Kühlungsgräben, für den Aufbau eines gerichteten Temperaturgradienten durchgeführt. Trotzdem liegen die erreichbaren Flächengrößen mit dieser Methode nur im Bereich von 20 µm2.Methods in which the conversion takes place via the liquid phase can be carried out at lower temperatures, so that the substrate can be selected regardless of its melting temperature. The group of low-temperature substrates that can be thermally stressed up to 600 ° C includes Corning glass, metals and plastics. From US Pat. No. 4,330,363 a method for producing flat single crystals is known, in which individual islands of semiconductor material to be converted, which are applied to a substrate, are melted with a CW (Continuous Wave) laser with a line-shaped spot which is adapted to the island width . However, the generation of only a single nucleation center represents a major problem. In order to avoid secondary germs due to early solidification due to heat dissipation being too rapid, complex measures, for example in the form of additional heat-conducting layers or cooling trenches, are carried out to establish a directed temperature gradient. Nevertheless, the area sizes that can be achieved with this method are only in the range of 20 µm 2 .
Zur Herstellung eines supraleitenden Oxidfilms mit einer weitgehend uni direktionalen Kristallorientierung auf einem Substrat ist aus der Zusammenfassung zu der JP-OS 2258694 bekannt, den in einem vorhergehen den Arbeitsgang vollständig deponierten Oxidfilm mit einem Laserstrahl mit einem bandförmigen Spot rechtwinklig zur Kristallorientierung fortschreitend aufzuschmelzen. Durch rapides, örtlich stark begrenztes Abkühlen direkt hinter der Bestrahlungszone rekristallisiert der Oxidfilm unter weitgehendem Ausgleich von Fehlorientierungen. Dieser Vorgang ist dem Sintern zum Ausgleich von Fehlstellen vergleichbar und basiert auf einem bereits vororientierten Ausgangs material.To produce a superconducting oxide film with a largely uni directional crystal orientation on a substrate is from the Summary of JP-OS 2258694 known in the previous one the operation completely deposited oxide film using a laser beam a band-shaped spot progressing perpendicular to the crystal orientation to melt. By rapid, locally limited cooling directly behind In the radiation zone, the oxide film recrystallizes with extensive compensation of misorientations. This process is to compensate for the sintering Defects comparable and based on an already pre-oriented outcome material.
Die Verwendung von gepulsten Excimerlasern vermeidet zusätzliche Kühlungsmaßnahmen, da der hohe Energiegehalt eines CW-Lasers nicht erreicht und so das Substrat nicht übermäßig miterhitzt wird. Ausschlaggebend bei den Excimerlasern ist deren hohe Energiedichte bei kurzer Pulsdauer, die ausreicht, um das Halbleitermaterial zu verflüssigen. Das Substrat wirkt dabei als Wärmesenke. Ohne besondere technische Vorkehrungen kristallisiert das verflüssigte Halbleitermaterial in der polykristallinen Phase. Sorgt man dafür dass mit jedem Laserpuls das neu verflüssigte Material am bereits kristallisierten Halbleiter nukleiert, indem die Probe oder der Laserstrahl im Submikrometer bereich weiterbewegt wird, erhält man polykristallines Material mit schmalen Einkristallbahnen, die entlang der Bewegungsrichtung der Probe gewachsen sind. Diese Kristallbahnen sind durch defektreiche Korngrenzen separiert. Während die Kristallisationsfront vorangetrieben wird, werden bereits eingefrorene Defekte durch folgende Laserpulse ausgeheilt. Ausschlaggebend ist, dass das jeweils verflüssigte Material immer mit bereits kristallisiertem Material in Berührung kommt und so veranlasst wird, bei Abkühlung an diesem Keim zu nukleieren. The use of pulsed excimer lasers avoids additional ones Cooling measures because the high energy content of a CW laser is not reached and so the substrate is not overheated. Decisive with the excimer lasers their high energy density with a short pulse duration is the is sufficient to liquefy the semiconductor material. The substrate works as a heat sink. This crystallizes without any special technical precautions liquefied semiconductor material in the polycrystalline phase. You take care of it that with each laser pulse the newly liquefied material already crystallized Semiconductors nucleated by the sample or the laser beam in the submicron is moved further, you get polycrystalline material with narrow Single crystal orbits grown along the direction of movement of the sample are. These crystal lanes are separated by defect-rich grain boundaries. As the crystallization front advances, already frozen defects healed by the following laser pulses. Decisive is that the liquefied material in each case always with already crystallized Material comes into contact and is caused to cool down on it Nucleating germ.
Ein derartiges Verfahren, von dem auch die Erfindung ausgeht, ist aus dem Aufsatz "Crystalline Si Films for integrated Active-Matrix Liquid-Crystal Displays" von J. S. Im und R. S. Sposili, MRS Bulletin, March 1996, pp. 39-48 bekannt und wird von den Autoren mit "SLS"-Prozess (sequential-lateral- solidification) bezeichnet. Mit dieser Bezeichnung kommt bereits zum Ausdruck, dass es sich um eine Kristallumwandlung durch schrittweise Verfestigung in einer Längsrichtung handelt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das punktförmige Nukleationszentrum über ein geometrisch abgestimmtes Maskenmuster von mehreren nebeneinanderliegenden Keimen gebildet, so dass während des Kristallisationsprozesses auf einem amorphen Fremdsubstrat doch Korngrenzen entstehen. Die Autoren bemerken jedoch, dass bei einer Weiterentwicklung des SLS-Prozesses geplant ist, als Nukleationszentrum ein einzelnes Keimkorn zu selektieren zur kontrollierten, gerichteten und ungestörten Aufzucht über einen weiten Bereich in einer Längsrichtung durch Aufschmelzen der Kristallisationsfront. Es soll also ein länglicher Einkristall hergestellt werden. Als Dimension für den "weiten" Bereich geben sie mehrere 10 µm bis mehrere 100 µm an, was jedoch immer noch nicht als Maß für einen besonders großflächigen Einkristall anzusehen ist.Such a method, from which the invention is also based, can be found in the article "Crystalline Si Films for integrated Active-Matrix Liquid-Crystal Displays" by JS Im and RS Sposili, MRS Bulletin, March 1996 , pp. 39-48 is known and is referred to by the authors as the "SLS" process (sequential-lateral-solidification). This designation already expresses that it is a crystal transformation through gradual solidification in a longitudinal direction. In this known method, the punctiform nucleation center is formed by a geometrically coordinated mask pattern from a plurality of germs lying next to one another, so that grain boundaries nevertheless occur on an amorphous foreign substrate during the crystallization process. However, the authors note that a further development of the SLS process is planned to select a single seed as the nucleation center for controlled, directed and undisturbed cultivation over a wide area in a longitudinal direction by melting the crystallization front. An elongated single crystal should therefore be produced. As a dimension for the "wide" range, they indicate several 10 µm to several 100 µm, but this is still not to be regarded as a measure for a particularly large single crystal.
Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht deshalb darin, basierend auf dem zuvor beschriebenen Verfahren, besonders großflächige Einkristalle ohne Störungsstellen in guter Qualität auf amorphen Fremdsubstraten herstellen zu können. Dabei soll das Verfahren einfach und mit relativ wenigen Prozessschritten durchführbar sein.The technical problem with which the invention is concerned therefore exists therein, based on the previously described method, particularly large single crystals without defects in good quality on amorphous To be able to manufacture foreign substrates. The process should be simple and with relatively few process steps.
Die erfindungsgemäße Lösung hierfür sieht vor, dass in einer weiteren Verfahrensstufe zunächst eine Anpassung der Spotgröße des Laserlichtpulses an die Längskantenlänge des in der vorangegangenen, oben beschriebenen Verfahrensstufe erzeugten länglichen Einkristalls und anschließend ein lineares Vorantreiben zumindest einer Längskante des länglichen Einkristalls als breiter Kristallisationsfront durch abwechselnde schrittweise Änderung des Bestrahlungsortes im Submikrometerbereich und Aussendung weiterer Laserlichtpulse mit der verbreiterten Spotgröße durchgeführt werden.The solution according to the invention for this provides that in another Process step first an adjustment of the spot size of the laser light pulse to the longitudinal edge length of that described in the previous, above Process step produced elongated single crystal and then a linear one Driving at least one longitudinal edge of the elongated single crystal as wider Crystallization front by alternating gradual changes in the Irradiation site in the submicrometer range and transmission of further Laser light pulses are carried out with the broadened spot size.
Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die Zweistufigkeit des Prozesses. In der ersten Verfahrensstufe wird ausgehend von einem einzelnen Kristallisationskeim, der gleichsam in dieser Stufe als Nebenprodukt miterzeugt wird, als punktförmigem Nukleationszentrum eine einkristalline Bahn auf dem amorphen Fremdsubstrat hergestellt. Diese bildet für die zweite Verfahrensstufe den Keimkristall als linienförmiges Nukleationszentrum. In der zweiten Stufe wird die einkristalline Bahn zu einer Fläche verbreitert. Es können also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren großflächige Einkristalle von bisher nicht realisierbaren Flächenabmessungen, beispielsweise in Postkartengröße und größer, in einfachster Weise hergestellt werden. Gleichzeitig ist eine ungestörte Kristallisation sicher gewährleistet, da in jeder der beiden Stufen von einem einzelnen ungestörten Keimkristall ausgegangen wird und unerwünschte Kristalle aus Nebenkeimen oder Korngrenzen vor der Kristallisationsfront wieder aufgeschmolzen und einkristallin umgewandelt werden. Die herstellbaren Einkristalle weisen damit beste Qualitätseigenschaften auf und sind in den verschiedensten Gebieten, wie zum Beispiel für Aktiv-Matrix-Displays, Dünnfilmsolarzellen auf einkristalliner Basis und Wellenleiter, einsetzbar.The two-stage of the is essential for the invention Process. In the first stage of the process, starting from an individual Crystallization seed, which also co-produces in this stage as a by-product is a single-crystal path on the amorphous foreign substrate. This forms for the second stage of the process the seed crystal as a linear nucleation center. In the second stage broadened the single-crystal orbit to a surface. So it can with the The method according to the invention has not yet been used for large-area single crystals realizable area dimensions, for example in postcard size and larger, in the simplest way. At the same time is an undisturbed Crystallization is guaranteed because there is one in each of the two stages single undisturbed seed crystal is assumed and undesirable Crystals from secondary germs or grain boundaries in front of the crystallization front again melted and converted into single crystals. The producible Single crystals therefore have the best quality properties and are in the various areas, such as for active matrix displays, Thin-film solar cells on a single-crystal basis and waveguide, can be used.
Je nach Einsatzfall kann der flächige Einkristall in verschiedenen geometrischen Formen, beispielsweise als Parallelogramm, hergestellt werden. Dazu können die beiden Ausbreitungsrichtungen für die linien- und die flächenförmige Kristallisation in einem beliebigen Winkel zueinander liegen. In den meisten Fällen ist jedoch eine rechteckige Ausbildung der Einkristallfläche besonders günstig. Deshalb sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Vorantreiben der schmalen und der breiten Kristallisationsfront in einem rechten Winkel zueinander erfolgt. Wird die Ausbreitungslänge in beiden Richtungen gleich groß gewählt, sind quadratische Einkristalle herstellbar. Depending on the application, the flat single crystal can have different geometrical shapes Shapes, for example as a parallelogram, are produced. You can do this the two directions of propagation for the linear and the flat Crystallization lie at any angle to each other. In most In cases, however, a rectangular configuration of the single crystal surface is special Cheap. Therefore, an advantageous embodiment of the invention provides that driving the narrow and wide crystallization front in one at right angles to each other. Will the propagation length in both If the directions are the same size, square single crystals can be produced.
Die Lage des länglichen Einkristalls als einkristalline Bahn im umzuwandelnden Halbleitermaterial ist frei wählbar. Liegt sie beispielsweise in der Mitte, so kann die Fläche durch die Verbreiterung von nur einer Längskante ausgehend gezielt teilweise umgewandelt werden. Es entsteht so ein Heteroübergang in der Materialfläche. Derartige Übergänge können durch geeignete Position der einkristallinen Bahn und Ausziehen der Fläche auch in anderen geometrischen Formen, beispielsweise als Kamm- oder Inselmuster, gestaltet werden und sind nur von den jeweiligen Einsatzbedingungen abhängig. Die Fläche kann aber auch durch Verbreiterung erst der einen und dann der anderen Längskante vollständig umgewandelt werden. Hierbei ist jedoch eine Richtungsumkehr des Scanprozesses erforderlich. Diese kann vermieden werden, wenn nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der längliche Einkristall am Rand des umzuwandelnden Halbleitermaterials erzeugt wird.The location of the elongated single crystal as a single crystal path in the to be transformed Semiconductor material is freely selectable. For example, if it is in the middle, it can the area is targeted by widening from just one longitudinal edge partially converted. This creates a heterojunction in the Material area. Such transitions can be achieved through a suitable position of the monocrystalline path and extending the surface also in other geometric Shapes, for example as a comb or island pattern, are designed and are only depends on the respective operating conditions. The area can also by widening the first and then the other longitudinal edge to be completely converted. However, this is a reversal of the direction Scanning process required. This can be avoided if after a Another advantageous embodiment of the invention, the elongated single crystal on Edge of the semiconductor material to be converted is generated.
Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften des Einkristalls kann es erforderlich sein, diesen mit anderen Materialien zu dotieren (z. B. Phosphordotierung von Silizium). Dies kann in besonders einfacher Weise erfolgen, wenn nach einer weiteren Erfindungsausgestaltung während des Aufschmelzens dem Bestrahlungsort gasförmiges Dotierungsmaterial zugeführt wird. Das Material, beispielsweise Phosphin, wird dann beim Erstarrungsprozess gleichmäßig in die Kristallstruktur eingelagert und bildet keine Störstellen durch Korngrenzen. Bekannt ist diese Art der Dotierung ("in situ doping", Lorenz Livermore Lab., USA) bisher nur bei der Herstellung polykristallinen Materials.It can be necessary to achieve certain properties of the single crystal be doped with other materials (e.g. phosphorus doping of Silicon). This can be done in a particularly simple manner if after a further design of the invention during melting Irradiation site is supplied with gaseous doping material. The material, For example, phosphine, is then evenly into the solidification process Crystal structure embedded and does not form any defects due to grain boundaries. This type of doping is known ("in situ doping", Lorenz Livermore Lab., USA) so far only in the production of polycrystalline material.
Für die Umwandlung durch selektives Aufschmelzen sind prinzipiell alle amorphen oder polykristallinen Halbleitermaterialien geeignet, die durch einen Laserpuls verflüssigbar sind und sich dabei nicht zersetzen. Hierzu zählen insbesondere Ge, SiGe, C, SiC, GaAs und weitere Silizium-Legierungen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn es sich gemäß einer weiteren Erfindungsfortführung bei dem aufzuschmelzenden Material um amorphes Silizium (a-Si), auch in hydrogenisierter Form (a-Si:H), handelt. Amorphes hydrogenisiertes Silizium ist weit verbreitet, universell einsetzbar und äußerst kostengünstig in der Herstellung. Es kann mit einer Vielzahl von Präparations methoden hergestellt werden (Hot-wire, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition), ECRCVD (Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapour Deposition), etc.)In principle, all are for the conversion by selective melting amorphous or polycrystalline semiconductor materials suitable by a Laser pulses are liquefiable and do not decompose. Which includes in particular Ge, SiGe, C, SiC, GaAs and other silicon alloys. However, it is particularly advantageous if it is according to another Continuation of invention in the material to be melted by amorphous Silicon (a-Si), also in hydrogenated form (a-Si: H). Amorphous Hydrogenated silicon is widespread, universally applicable and extremely inexpensive to manufacture. It can be used with a variety of dissection methods are produced (hot wire, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), ECRCVD (Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition), etc.)
Als Substrate für die flächigen Einkristalle eignen sich prinzipiell alle bekannten amorphen Substrate, beispielsweise auch teure Hochtemperatur-Substrate. Kostengünstig ist es jedoch gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung, wenn es sich bei dem amorphen Substrat um ein Niedertemperatur-Substrat handelt. Derartige Substrate sind in einer breiten Palette verfügbar. Das Substrat dient als einfache Wärmesenke. Allgemein kann Corning- oder Quarzglas verwendet werden. Aber auch der Einsatz von Metallen oder Kunststoffen ist möglich. Insbesondere im Hinblick aus Solarzellen haben Kunststofffolien als Substrat eine besondere Bedeutung, da sie auf gekrümmte Oberflächen aufgebracht werden können.In principle, all known ones are suitable as substrates for the flat single crystals amorphous substrates, for example also expensive high-temperature substrates. However, according to a next embodiment of the invention, it is inexpensive if the amorphous substrate is a low temperature substrate acts. Such substrates are available in a wide range. The substrate serves as a simple heat sink. Generally, Corning or quartz glass be used. But the use of metals or plastics is also possible. Especially with regard to solar cells, plastic films have as Substrate is particularly important because it is on curved surfaces can be applied.
Eine (nicht beanspruchte) Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung flächiger Einkristalle auf einem Fremdsubstrat kann so gestaltet sein, dass der Pulslaser als ein auf einem schwingungsgedämpften optischen Tisch angeordneter Excimerlaser ausgeführt ist, dessen auszusendende Laser lichtpulse über mehrere Umlenkspiegel, Fokussierungslinsen und einen Homogenisierer dem in einer evakuierbaren Probenkammer in einer Probenhalterung angeordneten Halbleitermaterial zuführbar sind, die computergesteuert über Schrittmotore in der Ebene verschiebbar ausgestaltet ist. Derzeit auf dem Markt verfügbare Excimer-Laser haben eine Laserenergie von beispielsweise 200 W mit einer maximalen Pulsenergie von 670 mJ bei einer Pulsrate von 300 Hz. Bevorzugt haben die vom Excimer-Laser emittierten Lichtpulse eine Wellenlänge zwischen 193 nm und 351 nm und eine Spotgröße von 10 × 0.5 cm2. Andere Spotgrößen oder Geometrien können durch geeignete optische Komponenten ebenfalls erzeugt werden. Die Schrittmotoren arbeiten höchstpräzise und können entweder die Probenhalterung oder einen Spiegel in x- und y-Richtung im Submikrometerbereich, beispielsweise mit 50 nm pro Schritt, positionieren. Als Alternative kann auch eine fest montierte Probe mit einem höchstpräzise positionierbaren Laserstrahl gescannt werden. Durch die Evakuierbarkeit der Probenkammer können Kristallverunreinigungen durch gasförmige Fremdmaterialien bei der Laserkristallisierung verhindert werden.A (not claimed) device for carrying out the method according to the invention for producing flat single crystals on a foreign substrate can be designed in such a way that the pulse laser is designed as an excimer laser arranged on a vibration-damped optical table, the laser pulses of which are to be emitted via a plurality of deflection mirrors, focusing lenses and a homogenizer can be fed to the semiconductor material arranged in an evacuable sample chamber in a sample holder, which is designed to be displaceable in the plane in a computer-controlled manner via stepping motors. Excimer lasers currently available on the market have a laser energy of, for example, 200 W with a maximum pulse energy of 670 mJ at a pulse rate of 300 Hz. The light pulses emitted by the excimer laser preferably have a wavelength between 193 nm and 351 nm and a spot size of 10 × 0.5 cm 2 . Other spot sizes or geometries can also be created using suitable optical components. The stepper motors work extremely precisely and can either position the sample holder or a mirror in the x and y direction in the submicrometer range, for example with 50 nm per step. As an alternative, a fixed sample can be scanned with a highly precise laser beam. The evacuability of the sample chamber can prevent crystal contamination from gaseous foreign materials during laser crystallization.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer DarstellungForms of embodiment of the invention are described below with reference to the figures explained in more detail. This shows in a schematic representation
Fig. 1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 1 shows the sequence of the method according to the invention and
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Fig. 2 shows an apparatus for performing the method.
In Fig. 1 ist amorphes Silizium 1 (grau) als umzuwandelndes Halbleitermaterial auf einem amorphen Substrat 2 mittels einer der üblichen Methoden deponiert. Im Verfahrensschritt I wird mit einem gepulsten Laserstrahl 3 mit einer schmalen Spotbreite 4 zuerst ein einkristallines Nukleationszentrum 5 (schwarz) erzeugt und dann ein länglicher Einkristall 6 (weiß) hergestellt (Pfeilrichtung). Dazu gibt der nicht weiter dargestellte Excimer-Laser seine Energie in kurzen Pulsen ab. Zwischen den Lichtpulsen wird das Substrat 2 schrittweise in y- Richtung weiterbewegt. Dabei ist die Schrittweite so gering (ca. 50 nm), dass die sich bildende schmale Kristallisationsfront 7, die der Spotbreite 4 entspricht, bei jedem neuen Lichtpuls immer wieder mitaufgeschmolzen wird. Der Kristallisationsfront 7 vorauseilende Störungen werden so eliminiert. Im Verfahrensschritt II wird die gesamte Substratlänge einmal linear abgefahren, so dass der entstandene längliche Einkristall 6 eine Längskantenlänge 8 aufweist.In Fig. 1, amorphous silicon is deposited 1 (gray) as to be converted semiconductor material on an amorphous substrate 2 by means of the usual methods. In method step I, a single-crystal nucleation center 5 (black) is first generated with a pulsed laser beam 3 with a narrow spot width 4 , and then an elongated single crystal 6 (white) is produced (direction of arrow). For this purpose, the excimer laser, not shown further, emits its energy in short pulses. Between the light pulses, the substrate 2 is moved in steps in the y direction. The step size is so small (approx. 50 nm) that the narrow crystallization front 7 that forms, which corresponds to the spot width 4, is melted again and again with each new light pulse. Interferences leading the crystallization front 7 are thus eliminated. In method step II, the entire length of the substrate is traversed once linearly, so that the elongated single crystal 6 formed has a longitudinal edge length 8 .
Die Verfahrensschritte I und II bilden die Verfahrensstufe A des Verfahrens, bei dem ein länglicher Einkristall 6 in Form einer einkristallinen Bahn als Keimkristall bzw. Nukleationszentrum 5 im umzuwandelnden amorphen Silizium 1 erzeugt wird. Process steps I and II form process step A of the process, in which an elongated single crystal 6 in the form of a single-crystal path is produced as a seed crystal or nucleation center 5 in the amorphous silicon 1 to be converted.
Im Verfahrensschritt III wird zunächst der Laserstrahl 3 mit einer breiten Spotbreite 9 an die Längskantenlänge 8 des länglichen Einkristalls 6 ange passt. Mit dem verbreiterten Laserstrahl 3 wird dann das amorphe Silizium 1 beginnend beim länglichen Einkristall 6 mit seiner breiten Kristallisationsfront 10 in die positive x-Richtung (Pfeilrichtung) gescannt. Das amorphe Silizium 1 nukleiert am Keimkristall 6 und wächst mit gleicher Orientierung und ohne Korngrenzen. Im Verfahrensschritt IV ist eine große einkristalline Fläche 11 dargestellt. Jenseits des länglichen Einkristalls 6 befindet sich noch amorphes Silizium 1. Wird kein heterogener Übergang gewünscht, kann das amorphe Silizium 1 im Verfahrensschritt IV noch durch Umkehrung der Scanrichtung in die negative x-Richtung (Pfeilrichtung) umgewandelt werden. Wird der längliche Einkristall 6 am Rande 12 des Substrats 2 positioniert, kann dieser Schritt entfallen.In method step III, the laser beam 3 with a wide spot width 9 is first matched to the longitudinal edge length 8 of the elongated single crystal 6 . With the broadened laser beam 3 , the amorphous silicon 1 is then scanned in the positive x-direction (arrow direction) starting with the elongated single crystal 6 with its broad crystallization front 10 . The amorphous silicon 1 nucleates on the seed crystal 6 and grows with the same orientation and without grain boundaries. A large single-crystalline surface 11 is shown in method step IV. Beyond the elongated single crystal 6 there is still amorphous silicon 1 . If a heterogeneous transition is not desired, the amorphous silicon 1 can still be converted in process step IV by reversing the scanning direction in the negative x-direction (arrow direction). If the elongated single crystal 6 is positioned on the edge 12 of the substrate 2 , this step can be omitted.
Die Verfahrensschritte III und IV bilden die Verfahrensstufe B des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die einkristalline Bahn 6 zu einer einkristallinen Fläche 11 ausgeweitet wird. Die Größenordnung der gesamten umwandelbaren Fläche liegt im gewählten Beispiel im Bereich von 10 cm × 10 cm.Process steps III and IV form process stage B of the process according to the invention, in which the single-crystalline web 6 is expanded into a single-crystalline surface 11 . The size of the entire convertible area in the selected example is in the range of 10 cm × 10 cm.
Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens in der Draufsicht. Auf einem schwingungsgedämpften optischen Tisch 20 ist ein Excimer-Laser 21 mit den oben bereits genannten technischen Daten angeordnet. Über zwei Umlenkspiegel 22, 23, zwei Fokussierungslinsen 24, 25 und einen Homogenisierer 33, der zwischen den beiden Fokussierungslinsen 24, 25 angeordnet ist, wird der in seiner Breite verstellbare Laserstrahl 3 (siehe Fig. 1) einer umzuwandelnden Probe 26 zugeführt. Die Probe 26 befindet sich auf einem Probenhalter 27 in einer Probenkammer 28. Die Probenkammer 28 ist über eine Pumpe 29 evakuierbar. Der Probenhalter 27 kann über zwei Schrittmotore 30, 31 mit Schrittweiten im Submikrometerbereich in x- und y-Richtung verfahren werden. Die Verfahrsteuerung erfolgt über einen Computer 32, der auch weitere Steuerungs- und Kontrollaufgaben (in-situ- Dotierung, in-situ-Messungen, o. ä.) übernehmen kann. Fig. 2 shows a device for performing the method described in plan view. An excimer laser 21 with the technical data already mentioned above is arranged on a vibration-damped optical table 20 . The width-adjustable laser beam 3 (see FIG. 1) is fed to a sample 26 to be converted via two deflecting mirrors 22 , 23 , two focusing lenses 24 , 25 and a homogenizer 33 which is arranged between the two focusing lenses 24 , 25 . The sample 26 is located on a sample holder 27 in a sample chamber 28 . The sample chamber 28 can be evacuated via a pump 29 . The sample holder 27 can be moved with two step motors 30 , 31 with step sizes in the submicron range in the x and y directions. The travel control takes place via a computer 32 , which can also take on further control and monitoring tasks (in-situ doping, in-situ measurements, or the like).
Mit dieser beschriebenen Vorrichtung kann mit relativ einfachen Mitteln das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, mit dem aus einfachem amorphem oder polykristallinem Halbleitermaterial flächige Einkristalle höchster Qualität mit solchen Abmessungen hergestellt werden können, wie sie bislang noch nicht bekannt waren. Dabei hängt die Flächengröße der herstellbaren Einkristalle letztendlich nur noch von der Leistungsfähigkeit des verwendeten Lasers ab. Die Palette der Einsatzmöglichkeiten für derartige großflächige Einkristalle erweitert sich damit zu einer neuen Dimension.With the device described, this can be done with relatively simple means The inventive method are carried out with the simple amorphous or polycrystalline semiconductor material flat single crystals of the highest Quality can be produced with such dimensions as they have so far were not yet known. The area size depends on the producible Single crystals ultimately only depend on the performance of the one used Lasers. The range of possible uses for such large areas Single crystals thus expand to a new dimension.
11
umzuwandelndes Halbleitermaterial
semiconductor material to be converted
22nd
Substrat
Substrate
33rd
Laserstrahl
laser beam
44
schmale Spotbreite
narrow spot width
55
Nukleationszentrum
Nucleation center
66
länglicher Einkristall
elongated single crystal
77
schmale Kristallisationsfront
narrow crystallization front
88th
Längskantenlänge
Long edge length
99
breite Spotbreite
wide spot width
1010th
breite Kristallisationsfront
broad crystallization front
1111
einkristalline Fläche
single crystal surface
1212th
Rand
edge
2020th
optischer Tisch
optical table
2121
Excimer-Laser
Excimer laser
2222
Umlenkspiegel
Deflecting mirror
2323
Umlenkspiegel
Deflecting mirror
2424th
Fokussierungslinse
Focusing lens
2525th
Fokussierungslinse
Focusing lens
2626
umzuwandelnde Probe
sample to be converted
2727
Probenhalter
Sample holder
2828
Probenkammer
Sample chamber
2929
Pumpe
pump
3030th
Schrittmotor
Stepper motor
3131
Schrittmotor
Stepper motor
3232
Computer
computer
3333
Homogenisierer
Homogenizer
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