DE19839718A1 - Laser crystallization or crystal structure alteration of amorphous or polycrystalline semiconductor layers comprises paired laser pulse irradiation for extended melt time while maintaining a low substrate temperature - Google Patents

Laser crystallization or crystal structure alteration of amorphous or polycrystalline semiconductor layers comprises paired laser pulse irradiation for extended melt time while maintaining a low substrate temperature

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Abstract

Amorphous semiconductor layer crystallization or polycrystalline semiconductor layer crystal structure alteration is achieved by paired laser pulse irradiation to provide an extended melt time while maintaining a low substrate temperature. Crystallization of amorphous semiconductor layers or alteration of the crystal structure of polycrystalline semiconductor layers is carried out by irradiation with laser pulses (LP1, LP2) from two pulsed laser beam sources. The laser pulse pair has the following properties: (a) the pulses overlap or pulse LP2 follows pulse LP1 by a short spacing (shorter than the melting time of the target material); (b) pulse LP1 (preferably with a typical width of 10-50 nsec.) causes brief total or partial melting of the irradiated area, while pulse LP2 is homogeneous and is absorbed in the target surface region melted by LP1 to prolong the melting time; (c) pulse LP1 has a wavelength such that it reaches a depth less than or equal to the layer thickness, while pulse LP2 has a wavelength of LP2 such that it reaches a depth in the micron range in the solid material but only a few (up to 30) nm in the liquid material so that the liquid material selectively absorbs the radiation; (d) the intensity, pulse width and pulse spacing have such values that, at similar fluences (F = intensity x pulse width, i.e. I \* tau ) of LP1 and LP2, the intensity of LP2 is large enough to avoid re-solidification of the melt after the end of LP1, with the proviso that tau 1 is less than tau 2, I1 is greater than I2 and the ablation threshold for LP2 restricts its fluence.

Description

A. Einleitung A. Introduction

Die vorliegende Patentschrift beschreibt ein Verfahren in dem mittels gepulster Laserstrahlung dünne amorphe Silizium-(a/Si)Filme, oder evtl. auch a/SiGe und a/Ge-Filme oder andere Halbleiterschichten, die auf amorphen Unterlagen deponiert werden erschmolzen und rekristallisiert werden. The present specification describes a method in which thin amorphous silicon by means of pulsed laser radiation (a / Si) films, or possibly also a / SiGe, and a / Ge films or other semiconductor layers, which are deposited on amorphous materials are melted and recrystallized. Dabei ist es das technische Ziel des Verfahrens zu erreichen, daß das rekristallisierte Material am Ort des aktiven Kanals zu prozessierender Bauelemente (z. B.) Dünnfilmtransistoren (TFT s ) in wenigen Quadratmikrometern großen Inseln einkristallin und defektfrei kristallisiert wird. It is to achieve the technical goal of the process is that the recrystallized material at the location of the active channel to prozessierender components (z. B.) thin film transistors (TFT's) in a few square micrometers monocrystalline large islands and crystallized free of defects. Klassische epitaktische Verfahren scheiden für die Deposition dünner Schichten auf amorphen Unterlagen aus. Classical epitaxial method are eliminated for the deposition of thin films on amorphous substrates. Demzufolge müssen alternative Prozesse erschlossen werden, die zu einkristallinen Schichten führen. As a result, alternative processes must be developed that lead to monocrystalline layers. Die etablierten Methoden zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente auf Siliziumbasis (z. B.) basieren auf zwei unflexiblen Prozessen. The established methods for the production of microelectronic components based on silicon (z. B.) based on two inflexible processes.

1. Bauelemente müssen auf einkristallinen Siliziumsubstraten (Wafern) hergestellt werden. 1. components must be made on single-crystal silicon substrates (wafers).

2. viele monolithische Integrationsprozesse (Lithographie, Oxidation, Dotierung mittels Diffusion oder Implantation, Defektausheilung, Beschichtung, Kontaktierung, "Packaging" MOS Prozeßintegration) verlangen nach hohen Prozeßtemperaturen. 2. many monolithic integration processes (lithography, oxidation, doping by diffusion or implantation, defect annealing, coating, bonding, "Packaging" MOS process integration) require high processing temperatures. Diese beiden Anforderungen limitieren die technologischen Anwendungen für Silizium-Dünnfilmtechnologie. These two requirements limit the technological applications for silicon thin-film technology. Falls man diesen Limitierungen begegnen kann ohne auf Bauelementqualität verzichten zu müssen ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen denkbar: If you can overcome these limitations without sacrificing component quality is a variety of other applications are conceivable:

  • 1. Bauelementstrukturen auf temperatursensitiven (Plastik, Glas) Substraten und flexiblen Substraten (Plastik). 1. component structures on temperature-sensitive (plastic, glass) substrates and flexible substrates (plastic). Dies heißt, daß alle Prozesse tieftemperaturkompatibel sind. This means that all processes are cryogenically compatible.
  • 2. dreidimensionale Integration bei Verzicht auf Hochtemperaturprozesse. 2. three-dimensional integration with renouncement of high-temperature processes.

Für derartige Bauelementanwendungen z. For such device applications such. B. (TFTs auf Glas) ist die Schlüsselgröße die strukturelle und damit einhergehend die elektrische Qualität der dünnen Si-Schicht. B. (TFTs on glass) is the key structural size and, consequently, the electrical quality of the thin Si layer. Diese muß im aktiven Kanal des Bauelementes möglichst defektfrei sein (einkristallin) oder aber allenfalls Kristalldefekte in kontrollierter reproduzierbarer Dichte, Population und Verteilung aufweisen. This must be (single crystalline), or at most have crystal defects in a controlled reproducible density, population and distribution in the active channel of the component defect-free as possible. Tieftemperaturkompatibles und gleichzeitig einkristallines oder sogenanntes "artificially controlled defected", Si-Wachstum auf nichtkristallinen (amorphen) Unterlagen ist erst mit der gepulsten Laserkristallisation möglich geworden. Cryogenic Compatible while monocrystalline or so-called "artificially controlled defected" Si growth on non-crystalline (amorphous) documents only became possible with the pulsed laser crystallization. Der Laserschmelz- und Kristallisationsprozeß ist dank detaillierter Untersuchungen von JS Im et al [1, 2] in den Grundzügen verstanden. The laser melting and crystallization process is thanks to detailed investigations of JS Im et al [1, 2] understood in the broad guidelines. Hieraus läßt sich erfindungsgemäß ein modifiziertes Verfahren angeben, bei dem als Folge eines kontrollierten starken Temperaturgefälles zwischen den auf Si-Dünnfilmtechnologie basierenden Strukturen (Bauelementen) und der Substratunterlage einkristallines Wachstum ausgelöst bzw. stimuliert wird, wobei der wesentliche Temperatursprung im Substrat erzeugt wird, wobei jedoch die Tieftemperaturkompatibilität des Substrats eine partielle tolerierbare Einschränkung erfährt. From this, a modified method however can be according to the invention specify in which as a result of controlled high temperature gradient between the Si-based thin film technology structures (elements) and the underlying substrate is triggered monocrystalline growth or stimulated, the essential temperature jump is generated in the substrate, the low temperature compatibility of the substrate undergoes a partial restriction tolerable.

B. Stand der Technik B. Prior Art

Eine amorphe Si-Schicht (a/Si) wird aufgeschmolzen durch einen Laserpuls (beispielsweise Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec), sobald die eingestrahlte Fluenz (Intensität/cm 2 × Zeit) eine kritische Größe F m am Ende des Laserpulses überschritten hat. An amorphous Si layer (a / Si) is melted by a laser pulse (for example, wavelength 308 nm, pulse duration of 20 nsec) when the incident fluence (2 x time intensity / cm) critical mass F m has exceeded the end of the laser pulse. Diese Werte hängen nur geringfügig von der Pulsdauer, aber dafür von der Schichtdichte und der Wellenlänge ab. These values ​​depend only slightly on the pulse duration, but on the film density and wavelength from.

In unserem Beispiel beträgt F m = 0,2 J/cm 2 für Schichtdicken von 0,2 µm. In our example, F m = 0.2 J / cm 2 for thicknesses of 0.2 .mu.m.

Überschreitet man diesen Wert dh F < F m , so erhält man nach Wiedererstarrung des Materials kristallisiertes Silizium, dabei existiert eine weitere kritische Fluenz F m * < F m , bei der ein totales Aufschmelzen der gesamten Schicht im Strahlbereich (homogenisierter Strahl) am Laserpulsende erreicht wird. It exceeds this value ie F <F m, is obtained after re-solidification of the material crystallized silicon, it exists another critical fluence F m * <F m, wherein a total melting of the whole layer in the beam area (homogenized beam) reaches the laser pulse end becomes. Für 0,2 µm dicke Schichten beträgt dieser Wert F m * ≈ 1,9 F m . For 0.2 micron thick layers of this value F * ≈ 1.9 m F m. Bei Einstrahlung höherer Fluenzen ist das wiedererstarrte Material nanokristallin bzw. (je nach Größe von F) amorph. When irradiation is higher fluences the resolidified material is nanocrystalline or (depending on the size of F) amorphous. Die Zeit, die verstreicht zwischen dem totalen Aufschmelzen der Schicht und der Wiedererstarrung läßt sich mit transienter Reflexion messen. The time that elapses between the total melting of the layer and the resolidification can be measured by transient reflection. Sie beträgt 50 bis wenige 100 nsec. It amounts to a few nsec 50 100th Es zeigt sich hierbei, daß die Erstarrungszeit abhängig von der Wärmeleitung des Substrates ist. It is shown here is that the setting time is dependent on the thermal conductivity of the substrate. Verwendet man als Unterlage Glas, so ergibt sich bei F ≈ 3-4 F m wiederum Kristallwachstum bis zu Kristallitgrößen bis zu 1 µm, während bei Substraten aus einkristallinem Silizium (abgetrennt durch SiO 2 Zwischenschichten bis zu 2 µm Dicke) auch bei hohen F-Werten nur nanokristallines Wachstum beobachtet wird. If one uses as a substrate glass, as crystal growth results in F ≈ 3-4 F m turn to crystallite sizes up to 1 micron, while the case of substrates of single crystal silicon (separated by SiO 2 intermediate layers up to 2 micron thickness), even at high F- values ​​only nanocrystalline growth is observed.

Dieser Sachverhalt geht einher mit einem Unterschied in der Materialschmelzdauer als Folge des Unterschiedes in der Wärmeleitfähigkeit des Substrats (Silizium hat eine etwa 50fach höhere Wärmeleitungskonstante) (bei Zimmertemperatur) als das nur phononisch wärmeleitende Glas. This situation is associated with a difference in the material melting time as a result of the difference in the thermal conductivity of the substrate (silicon has an approximately 50-fold higher thermal conductivity constant) (at room temperature) as the only phononisch heat-conducting glass. Die Untersuchungen mit den Glassubstraten wurden durchgeführt bei Beschichtung des amorphen Siliziums mit einer Wasser-Deckschicht, dh es existiert ein Trägheitseinschluß der durch die Laserstrahlung aufgeschmolzenen Schicht mit teilweiser Plasmabildung an der Oberfläche. The studies with the glass substrates were carried out at the coating of the amorphous silicon with a water-covering layer, ie there is an inertial confinement of the melted by the laser radiation layer with partial plasma formation at the surface. Damit wird erreicht, daß die Temperatur des geschmolzenen Siliziums zu höheren Werten ansteigen kann, was natürlich auch verbunden ist mit einem höheren Druck in der Schmelze (Abschätzungen ergeben Drucke bis zu 3 kbar) [3]. It is thus achieved that the temperature of the molten silicon can increase to higher values, which of course is also connected to a higher pressure in the melt (estimates yield prints up to 3 kbar) [3].

Die zu großen Kristallen führende Laserkristallisation bei Fluenzen < F m * (Prozeßfenster) unter der Schwelle des totalen Aufschmelzens (bei 230 mJ/cm 2 ) ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen der Im'schen Schule [1, 2] und hat zur Ausbildung und genaueren Untersuchung des SLG (superlateral growth)-Prozesses geführt. Leading to large crystals laser crystallization at fluences <F m * (process window) below the threshold of the total melting (at 230 mJ / cm 2) is the subject of numerous investigations of Im'schen School [1, 2] and has the training and further investigation the SLG (superlateral growth) process performed. Auf diesem Kristallisationsfenster beruhen auch zahlreiche Anwendungen in technologischen Untersuchungen zur Dünnfilmkristallisation. In this crystallization window also numerous applications based in technological studies on the thin film crystallization. Es ist ferner Stand der Technik, Laserkristallisation auf hocherhitzten Substraten nach diesem Verfahren herbeizuführen. It is also prior art to bring about crystallization of highly heated laser substrates by this method. In diesem Fall lassen sich bei Einstrahlung von Fluenzen von der Größenordnung F m * bei Substrattemperaturen um 1175°C sehr lange Schmelzdauern herbeiführen. In this case, can be * at substrate temperatures around 1175 ° C to bring about a long lasting melting upon irradiation with fluences of the order of F m. Es zeigt sich dann, daß die so erhaltene bis zu mehreren 100 µsec aufrechterhaltene unterkühlte Si-Flüssigkeit schließlich Keime bildet, aus denen einkristallines Wachstum erfolgt in einem Prozeßfenster ab 1100°C, wobei bei Präparation des Materials in Form von isolierten Si-Inseln (quadratische Form, Kantenlänge 50 µm) einkristallines Material resultiert mit niedrigen Defektdichten. It can be seen then that the thus obtained up to several 100 microseconds maintained supercooled Si liquid eventually nucleates from which single-crystal growth occurs in a process window from 1100 ° C, wherein (in preparation of the material in the form of isolated Si islands quadratic shape, edge length 50 microns) single crystal material results with low defect densities. Dieses letztere Verfahren führt zu den bisher größten einkristallinen Strukturen, die auf dem jetzigen Stand der Dünnschichttechnologie möglich sind. This latter method leads to the biggest single-crystal structures that are possible on the current state of thin film technology. Die Methode ist wegen der Prozeßtemperatur von 1100°C beschränkt auf Materialien, die in diesem Temperaturbereich handhabbar sind, wie z. The method is limited to materials that can be handled in this temperature range, such because the process temperature of 1100 ° C. B. einkristallines Silizium, Quarzglas, sowie Al 2 O 3 -Keramiken. As single-crystal silicon, quartz glass, and Al 2 O 3 ceramics. Aus Kostengründen, aber auch wegen der Attraktivität der Ausweitung dieser Technologie insbesondere für lichtdurchsichtige Bauelementstrukturen, ist es in hohem Maße wünschenswert, dies Verfahren auf tieftemperaturkompatible Substrate auszudehnen. For cost reasons, but also because of the attractiveness of the expansion of this technology especially for Translucent device structures, it is highly desirable to extend this method to cryogenically compatible substrates.

C. Beschreibung der Erfindung C. Description of the invention

Es ist der Erfindungsgedanke, ein thermisches Verfahren vorzustellen, bei dem ein auf tiefer Temperatur befindliches Substrat sich in Kontakt befindet mit einer Hochtemperaturzone flüssigen Siliziums, bei dem das Ziel verfolgt wird, die Schmelzdauer des Siliziums in ein Zeitfenster von der Größenordnung einige × 10 -7 sec bis hin zu einigen × 10 -6 sec oder noch weiter auszudehnen, um auf diese Weise einen Kristallisationsprozeß in einer langsam erstarrenden Schmelze zu ermöglichen. It is the idea of the invention to present a thermal process in which a befindliches on a low temperature substrate is in contact with a high temperature zone of molten silicon, in which the aim is the melting time of the silicon in a time window of the order of a few x 10 -7 sec up to a few x 10 -6 sec or extend further in order to enable in this manner a crystallization process in a slowly solidifying melt. Das Verfahren beruht auf dem Einsatz einer Zweistrahlbelichtungsmethode, wobei auf einer vorgegebenen Fläche ein Laserpuls 1 (abgekürzt LP 1) (z. B. Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec. Energiedichte ≈ 0,5-1 J/cm 2 ) eine vorgegebene amorphe Si-Schicht (2) aufschmilzt mit einer Schichtanordnung nach Fig. 2 [Substrat z. The method relies on the use of a two-beam exposure method, wherein on a predetermined surface, a laser pulse 1 (abbreviated as LP 1) (z. B. wavelength 308 nm, pulse duration of 20 nsec. Energy density ≈ 0.5-1 J / cm 2) a predetermined amorphous Si-layer (2) is melted with a layer arrangement of Fig. 2 [z substrate. B. Glas oder Kunststoff (1a) mit Schutzschicht z. As glass or plastic (1a), with such protective layer. B. aus SiO 2 (1b)]. For example, from SiO 2 (1b)]. Dabei wird die oben definierte totale Aufschmelzfluenz F m * (≈ 0,36 J/cm 2 bei SiO 2 confinement) (3) überschritten. In this case, the above-defined total Aufschmelzfluenz F m * (≈ 0.36 J / cm 2 at confinement SiO 2) (3) is exceeded. Ein nachfolgender Laserpuls 2 (abgekürzt LP 2) dient dazu, vor dem totalen Erstarren der Schmelze einzusetzen und die Temperatur des Materials während einer genügend langen Zeit, nämlich während der Laserpulsdauer τ 2 und darüber hinaus (Zeitdauer Größenordnung 0,1 bis 10 µsec, je nach zeitlichem Verlauf der Pulsamplitude) auf so hohem Wert aufrecht zu erhalten, daß dieses Material solange in Form einer unterkühlten Flüssigkeit bestehen bleibt, bis superlaterales Kristallwachstum oder spontane Kristallisation als Folge der (geringfügigen) Unterkühlung einsetzt (Typische Daten des LP 2 (Nd, YAG 1064 nm, Intensität am Anfang ≈ 300 kW/cm 2 evtl. Intensität nach Zeitprogramm fallend, Gesamtpulsdauer bis zu 10 -5 sec). A subsequent laser pulse 2 (abbreviated LP 2) is used to insert before the total solidification of the melt and the temperature of the material during a sufficiently long time, namely during the laser pulse duration τ 2 and beyond (time order 0.1 to 10 microseconds, depending to obtain, after temporal course of the pulse amplitude) at such a high value maintains that this material remains active in the form of a supercooled liquid to superlaterales crystal growth or spontaneous crystallization as a result of (small) sub-cooling using (Typical data of the LP 2 (Nd, YAG 1064 nm, intensity at the beginning of ≈ 300 kW / cm 2 intensity by possibly decreasing time program, total pulse duration down to 10 -5 sec).

Dabei haben die Laserpulse LP 1 und LP 2 folgende Funktionen zu erfüllen: The laser pulses LP 1 and LP have to fulfill two following functions:

  • 1. Die amorphe Si-Schicht ist aufzuschmelzen durch den Laserpuls LP 1. Sie wird im Verlauf des Laserpulses erwärmt bis zu einer Temperaturobergrenze die zum Ende des Pulses erreicht wird. 1. The amorphous Si layer is melt by the laser pulse LP 1. It is heated in the course of the laser pulse up to an upper temperature limit which is reached at the end of the pulse. Diese Obergrenze ist dann über die Intensität des Laserstrahls so einzustellen, daß eine Temperatur erreicht wird, die höher als die Schmelztemperatur ist, aber niedriger als die Temperatur, bei der eine evtl. anzubringende Deckschicht reißt oder wesentliche Ablation des Materials stattfindet. This upper limit is then the intensity of the laser beam be adjusted so that a temperature is reached that is higher than the melting temperature, but lower than the temperature at which tearing suggested to be attached layer or takes place significant ablation of the material. Empirische Werte für die Obergrenze ergeben dann Werte zwischen 1700°K und 4000°K [rechnerischer Wert, genauer abzuschätzen ist die damit verbundene Obergrenze der eingestrahlten Energie/cm 2 , die jedoch schichtdickenabhängig ist (z. B. F obergrenze ≈ 0,5 bis 1,2 J/cm 2 für eine Schichtdicke von 0,2 µm)]. Empirical values for the upper limit then give values between 1700 ° K and 4000 ° K [calculated value to estimate accurate the associated upper limit of the incident energy / cm 2, but which is layer thickness-dependent (eg. B. F upper limit ≈ 0.5 to 1.2 J / cm 2 for a film thickness of 0.2 micron)]. Die auf diese Weise überhitzte Flüssigkeit, bei der ein eventuelles Sieden unter dem Einfluß des Trägheitseinschlusses der Si- Schicht (z. B. durch Beschichtung mit SiO 2 oder bei Unterwasserbelichtung) weitgehend vermieden werden kann, kann jetzt über die phononische Wärmeleitung des Substrates die Wärme in Richtung Substratunterlage ableiten. The superheated in this way liquid in which a possible boiling layer can be largely avoided under the influence of inertial confinement of Si (by coating with SiO 2 or underwater exposure z. B.) can now over the phonon thermal conductivity of the substrate, the heat derived in the direction of substrate surface. Dabei ergibt sich bei Anwendung der nicht linearen Wärmeleitungsgleichung In this case resulting from the application of the nonlinear heat equation
    λ = Wärmeleitungskonstante, ρ = Dichte, c = spezifische Wärme des Substrates, η = Wärmeerzeugung pro Volumen im Substrat, T = Temperatur an der Grenze, Si-Schicht- Substratoberfläche und wobei η den durch den LP 2 eingestrahlten und von der Si-Schicht absorbierten Anteil des Energieflusses darstellt, dessen Transfer in das Substrat jedoch noch modellmäßig aufzubereiten ist. λ = thermal conductivity constant, ρ = density, c = specific heat of the substrate, η = heat generation per volume in the substrate, T = temperature at the boundary, Si-layer substrate surface, and wherein η the irradiated through the LP 2 and the Si layer represents the absorbed proportion of the energy flow, its transfer is, however, still moderately model recycle into the substrate.
    Diese Gleichung beschreibt in durchaus komplexer Weise das Wechselspiel zwischen der aus der Si Schicht in die Unterlage abfließenden Wärme und auf der anderen Seite die Erwärmung der Si-Schicht durch die eingestrahlte Energie des Laserpulses. in quite a complex manner, this equation describes the interaction between the effluent from the Si layer in the substrate and heat on the other hand the heating of the Si layer by the radiated energy of the laser pulse.
  • 2. Der Zeitpunkt, an dem die Größe dT/dt durch Kompensation der beiden Terme gleich Null wird, läßt sich durch physikalische Modellbetrachtungen abschätzen. 2. The time at which the size of dT / dt by compensation of the two terms is zero can be estimated by physical model considerations. Es zeigt sich, daß die zunächst einsetzende schnelle Abkühlung der hocherhitzten Flüssigkeit sich mehr und mehr verlangsamt und es ergibt sich, daß bei einem Energiefluß aus dem LP 2 von einigen hundert KW/cm 2 eine Kompensation verbunden mit einem Temperaturminimum entsprechend dT/dt = 0 sich einstellen läßt bei Temperaturen (wählbar durch Einstellung der LP 2-Amplitude) um 1400 K bis 1700 K, so zu bemessen, daß gerade noch keine Wiedererstarrung der Flüssigkeit einsetzt. It is found that the first onset of rapid cooling of the highly heated fluid is increasingly slowed down and it is found that when an energy flux from the LP 2 of several hundred KW / cm 2, a compensation associated with a minimum temperature corresponding to dT / dt = 0 can be set at the temperatures to be measured (selectable by adjustment of the LP 2-amplitude) about 1400 K to 1700 K such that just no resolidifying the liquid used. Die dann bei anhaltendem LP 2 einsetzende Erwärmung der Schicht läßt sich bei geeigneter Länge von LP 2 für eine bis einige Mikrosekunden aufrechterhalten (abhängig von der Si-Schichtdicke). The onset then with prolonged heating of the LP 2 layer can be for one to several microseconds maintained (depending on the Si-layer thickness), with a suitable length of LP. 2 Hierdurch ist eine Unterkühlphase mit Unterkühlungstemperaturen von wenigen 100 Grad K bei Zeitdauern im Mikrosekundenbereich machbar. This results in a lower cooling phase with hypothermia temperatures of a few 100 degrees K at durations in the microsecond range is feasible. Fig. 1 zeigt schematisch den gesamten Zeitverlauf der Temperatur in der Si-Schicht sowie den Verlauf der Intensitäten von LP 1 und LP 2 mit den folgenden Daten: Fig. 1 schematically shows the entire time course of the temperature in the Si layer, and the progress of the intensities of LP 1 and LP 2 with the following data:
    Schichtdicke a/Si: 0,2 µm Layer thickness a / Si: 0.2 .mu.m
    t 1 = τ 1 = 30 nsec (Die Intensität I 1 beschreibt die in der Schicht deponierte Energie/Zeit.) t 1 = τ 1 = 30 nsec (the intensity I 1 describes the deposited layer in the energy / time).
    t 2 = τ 2 = 500 nsec (I' 2 = 3.10 5 W/cm 2 , I 2 beschreibt die in das Substrat abfließende Energie/Zeit.) t 2 = τ 2 = 500 nsec (I '2 = 10.3 5 W / cm 2, I 2 describes the effluent into the substrate energy / time).
    Die Laserpulse LP 1 und LP 2 haben dabei folgende Funktionen: The laser pulses LP 1 and LP 2 have the following functions:
  • 3. Laserpuls 1: Wellenlänge: 248 nm oder 308 nm (Excimer-Laser), aber auch frequenzverdoppelter oder verdreifachter Nd YAG-Laser oder Cu-Dampflaser sowie Ti- Saphirlaser (evtl. frequenzverdoppelt) möglich. 3. Laser Pulse 1: Wavelength: 248 nm or 308 nm (excimer laser), but also frequency-doubled or tripled Nd-YAG laser, or copper vapor laser as well as Ti-sapphire laser (possibly frequency doubled) is possible.
    Zeitdauer τ 1 = 10 bis 30 nsec. Time period τ 1 = 10 to 30 nsec. Die maximale Temperatur T max in Fig. 1 ist bestimmt durch die Fluenz von LP 1. Die Lage des Temperaturminimums wird bestimmt durch den (komplizierten) zeitlichen Verlauf der Wärmeableitung sowie durch die wählbare Fluenz von LP 2. Die Höhe von T min ist so zu wählen, daß keine totale Erstarrung der Schicht vor Erreichen des zweiten Temperaturmaximums am Ende des LP 2 stattfindet. The maximum temperature T max in Fig. 1 is determined by the fluence of LP 1. The position of the temperature minimum is determined by the (complex) time course of the heat dissipation as well as the selectable fluence of LP 2. The height of T min is to select that no total solidification of the layer takes place before reaching the second maximum temperature at the end of the LP. 2 T min ist damit wenige 100K unterhalb der Schmelztemperatur der Schicht einzustellen. T min is set so that few 100K below the melting temperature of the layer. Die Eindringtiefe der Laserstrahlung (1/α) LP 1 sollte kleiner oder vergleichbar mit der Schichtdicke d si sein Beispiel: (1/α) 308 nm ≈ 10 nm. The penetration depth of the laser radiation (1 / α) LP 1 should be less than or comparable to the layer thickness d si be example: (1 / α) ≈ 308 nm 10 nm.
    Die von der Schicht pro cm 2 absorbierte Laserenergie beträgt F × (1-R), wobei für 308 nm R ≈ 90% beträgt (temperaturabhängig). The energy absorbed by the layer per cm 2 of laser energy is F x (1-R), 308 nm for R ≈ 90% (depending on temperature). Diese Energie wird durch elektronische Wärmeleitung auf die gesamte Si-Schicht verteilt (Zeitdauer < 10 -11 sec). This energy is by electronic conduction of heat to the entire Si layer distributed (duration <10 -11 sec).
  • 4. Laserpuls 2: Energiebedarf etwa 0,1 bis 10 J/cm 2 , Zeitdauer (je nach Pulsform) 0,1-10 µsec. 4. Laser Pulse 2: Energy demand about 0.1 to 10 J / cm 2, usec time period (depending on the pulse shape) 0.1-10. Bei sehr genauer Steuerung der Zeitabhängigkeit der Impulsamplitude sind auch noch höhere Energiedichten und größere Zeitdauern möglich. For very precise control of the time dependence of the pulse amplitude even higher energy densities and greater durations are possible. Zunächst soll der einfachste (und auch für Anwendungen wahrscheinlichste Fall) angenommen werden: Zeitdauer 0,5 µsec, Rechteckimpuls F LP 2 ≈ 0,15 J/cm 2 , Wellenlänge 1064 nm (Nd-YAG Laser). First, the simplest (and most likely also the case for applications) to be adopted: duration 0.5 microseconds, rectangular pulse LP F 2 ≈ 0.15 J / cm 2, wavelength 1064 nm (Nd-YAG lasers). Für amorphes bzw. kristallines Si beträgt die Absorptionslänge (1/α) fest ≈ ein bis mehrere Mikrometer, so daß das Material bei Schichtdicken von wenigen 100 nm nicht aufgeschmolzen wird. For amorphous or crystalline Si, the absorption length (1 / α) ≈ fixed one to several microns, so that the material is not melted at layer thicknesses of a few 100 nm. Andererseits hat flüssiges Si metallähnlichen Charakter mit (1/α) flüssig ≈ 10 nm mit R ≈ 70%, so daß dieses die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad absorbiert. On the other hand, liquid Si has metal-like character with (1 / α) liquid ≈ 10 nm with R ≈ 70%, so that it absorbs the radiation with high efficiency.
    Dieser Sachverhalt, nämlich die Steigerung der Absorption der Strahlung des LP 2 durch die Si-Schicht beim Phasenübergang fest-flüssig um etwa zwei Größenordnungen ist ein wesentlicher Teil des Erfindungsgedankens. This situation, namely to increase the absorption of the radiation of the LP 2 by the Si layer during the phase transition solid-liquid by about two orders of magnitude is an essential part of the inventive concept. Dieser besagt, daß am Ende von LP 1 nur solches Material von der Erwärmung durch LP 2 erfaßt wird, das zu diesem Zeitpunkt in flüssiger Form vorliegt. This means that at the end of LP only such material is detected by the heating by LP 2 1, which is at this time in liquid form. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß eine räumliche Strukturierung der Bereiche mit großflächigen Kristalliten möglich. In this way, a spatial structuring of areas with large crystallites is possible according to the invention.
  • 5. Räumliche Strukturen: Ausgehend vom jetzigen Stand der Technik sind jetzt mehrere Möglichkeiten der Dünnschichtkristallisation gegeben. 5. Spatial structures: Based on the current state of the art several ways of thin film crystallization are now given.
    • 5.a) SLG-Methode mit Strichmaske 5.a) SLG method with line mask
      SLG = superlateral growth [1, 2] SLG = superlateral growth [1, 2]
      Eine Fläche wird durch eine Sequenz von Laserpulsen belichtet und kristallisiert. A surface is exposed through a sequence of laser pulses and crystallized. Eine Strichmaske erzeugt durch einen 308 nm (Beispiel) Excimerlaserpuls (hier: LP 1) eine aufgeschmolzene Zone makroskopischer Länge (z. B. Länge 50 µm) und mikroskopischer Breite (z. B. Breite 4 µm). A bar mask generated by a 308 nm (Example) Excimerlaserpuls (here: LP 1) a molten zone of macroscopic length (e.g., length of 50 microns.) And microscopic width (e.g., width of 4 microns.). Der nächste Puls wird aus dem Excimerlaser parallel zur Längsausdehnung um (z. B.) 3 µm versetzt eingestrahlt, so daß eine Überlappzone existiert von etwa 1 µm Breite. The next pulse is irradiated from the excimer laser offset parallel to the longitudinal extension to (z. B.) 3 microns, so that an overlapping zone exists of about 1 micron width. Die Bewegung wird z. z The movement is. B. durch ein Portalsystem erzeugt. As generated by a portal system. Aus dieser Überlappung wachsen Kristallkeime in die jeweils neu aufgeschmolzene Zone. From this overlap grow seeds in each newly melted zone. Die dabei kurzzeitig existierende Phasengrenze fest-flüssig wächst damit (weitgehend einkristallin) in das jeweils neu aufgeschmolzene Gebiet. so that then temporarily existing phase boundary solid-liquid growing (largely monocrystalline) into the respective newly melted area. Wird jetzt der LP 2 so dimensioniert, daß die bestrahlte Fläche, die der LP 1 aufgeschmolzen hat, belichtet wird, so bewirkt LP 2 erfindungsgemäß eine Verlängerung der Schmelzdauer, verbunden mit einem geringfügigen (vorteilhaftem) Eindringen der Schmelze in das Grenzgebiet fest-flüssig. Is now the LP 2 dimensioned so that the irradiated surface of the LP has melted 1 is exposed, so LP 2 effected according to the invention an extension of the melting time, associated with a slight (favorable) penetration of the melt in the border area of ​​the solid-liquid. Dazu ist keine räumliche Strukturierung des Strahlprofils des LP 2 vonnöten, da dieser im wesentlichen nur die jeweils flüssigen Bereiche erwärmt. For this purpose, any three-dimensional structuring of the beam profile of the LP 2 is necessary since it is heated only the respective regions is substantially liquid. LP 2 kann mithin flächenhaft (im allgemeinen homogenisiert) ausgelegt werden. LP 2 can be designed thus-dimensionally (generally homogenised).
    • 5.b) Interferometrische Methode: Eine Modifikation dieses lateralen Kristallwachstums ist gegeben, wenn die Laserstrahlung des LP 1 (flächenhaft) als Interferenzstreifensystem eingestrahlt wird, wobei die Phasengrenze fest-flüssig die Zonen maximaler Intensität einschließt. 5.b) Interferometric Method: A modification of this lateral crystal growth occurs when the laser radiation of the LP is 1 (dimensionally) as radiated interference fringe system, the phase boundary includes the solid-liquid zones of maximum intensity. Auch in diesem Falle wird eine Verlängerung der Schmelzdauer durch einen flächenhaft eingestrahlten LP 2 bewirkt. Also in this case, an extension of the melting time by a dimensionally irradiated LP 2 is effected. Da das einkristalline Wachstum nach dem jetzigen Stand der Technik auf wenige Mikrometer beschränkt bleibt, ist es sinnvoll, den Interferenzstreifenabstand ebenfalls auf wenige µm zu begrenzen. Since the single-crystal growth after the current state of technology is limited to a few micrometers, it makes sense also to limit the interference fringes distance to a few microns. Aus diesem Grunde ist das Verfahren weniger für Excimerlaserpulse und dafür mehr für Laser mit kleiner Strahldivergenz geeignet. For this reason, the method is for this more suitable for lasers with a small beam divergence less for Excimerlaserpulse and. Frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Nd-YAG-Laser bieten sich hier beispielsweise an. Frequency doubled or frequency-tripled Nd: YAG lasers offer in here, for example.
      In den Fällen 5a und 5b bilden räumliche Strukturen des Laserstrahls, die durch optische Mittel (Maske oder Interferenz) herbeigeführt wurden, räumlich kontrollierte Korngrenzen (sogenannte GLC = gram boundary location controllod-Si films) in der Siliziumschicht, die ausgehend von der Grenze fest-flüssig zu einem einkristallinen Wachstum im Gebiet der erstarrenden (unterkühlten) Flüssigkeit führen. In the cases 5a and 5b form three-dimensional structures of the laser beam that have been brought about by optical means (mask or interference), spatially controlled grain boundaries (so-called GLC = gram boundary location controllod-Si films) in the silicon layer, which, starting from the border fixed liquid lead to a single-crystal growth in the field of solidifying (supercooled) liquid.
    • 5.c) Strukturierung der SiO 2 Deckschicht: Verwendet man ein Streifensystem (3) oder ein System lokalisierter Inseln von SiO 2 Deckschichten auf der (homogenen) a/Si-Schicht (2a, 2b) nach Fig. 3 so bewirkt nach JS Im und HJ Kim [1, 2] das Antireflexverhalten der Deckschicht (schichtdickenabhängig) einen erhöhten Energieeinfall im Bereich unter den Streifen (oder Inseln), so daß sich eine fest-flüssig-Grenze durch geeignete Dimensionierung der Intensität des LP 1 (flächenhaft eingestrahlt) an den Grenzen der nicht beschichteten Bereiche linienhaft oder inselförmig einstellen läßt. 5.c) patterning of the SiO 2 layer: If, after JS In a strip system (3) or a system of localized islands of SiO 2 coatings on the (homogeneous) a / Si layer (2a, 2b) of Figure 3 so effected. and HJ Kim [1, 2] the antireflective behavior of the top layer (layer thickness dependent) an increased energy incident in the region under the stripe (or islands), so that a solid-liquid boundary (areally irradiated) by suitable dimensioning of the intensity of the LP 1 of linear manner the limits of non-coated areas or can be set like islands. Die an diesen Grenzen lokalisierten Kristalle wachsen dann wiederum bei Erstarrung in den flüssigen Bereich unter den Deckschichten hinein. The localized at these boundaries crystals then grow into it again upon solidification in the liquid region below the outer layers. Mit diesem Verfahren werden Flächenkristalle von mehreren Mikrometern Länge erzeugt. With this method, surface crystals are produced by several micrometers in length.
  • 6. Spontane Kristallisation: Neben der beschriebenen SLG (superlateral growth)-Methode bei der stets ein laterales Temperaturgefälle in der Halbleiterschicht hergestellt werden muß, um laterales Kristallwachstum aus der Bereichsgrenze fest-flüssig zu stimulieren, läßt sich das Verfahren der Nachheizung mit einem zweiten Laserpuls auch anwenden für homogene Si- Schichten und für Schichten, bei denen das Silizium selbst strukturiert ist, nicht aber eine evtl. vorhandene transparente Deckschicht eine Struktur aufweist. 6. Spontaneous Crystallization: In addition to the described SLG (superlateral growth) method in which a lateral temperature gradient must be produced in the semiconductor layer always to stimulate lateral crystal growth from the range limit solid-liquid, this can be the method of heating with a second laser pulse also apply for homogeneous Si layers and for layers in which the silicon itself is structured, but not any existing transparent cover layer has a structure. In diesem Falle läßt sich durch den LP 1 das gesamte Material der Halbleiterschicht großflächig oder aber strukturiert aufschmelzen indem homogene Laserstrahlung verwendet wird. In this case, by the LP 1 the entire material of the semiconductor layer can be patterned over a large area or melted by homogeneous laser radiation is used. Kristallisation kann jetzt nur stattfinden nach einer gewissen Unterkühlungsphase aufgrund spontaner Kristallkeimbildung. Crystallization can now only take place after a certain sub-cooling phase due to spontaneous nucleation. Hierzu sind nach dem Stand der Technik Experimente mit sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Substratunterlage und den Si-Schichten in der flüssigen Phase sehr erfolgreich. For this purpose, experiments with very low temperature differences between the underlying substrate and the Si layers in the liquid phase have been very successful in the prior art. Das hier vorgelegte Nachheizverfahren mit dem LP 2 erlaubt es jetzt, auf wesentliche Erwärmung der Substratunterlage zu verzichten. The Nachheizverfahren presented here with the LP 2 now allows players to forgo substantial heating of the substrate surface. Der eingestrahlte LP 2 ist so zu dimensionieren, daß die Abkühldauer sich verlangsamt. The irradiated LP 2 is to be dimensioned such that the cooling time slows down. Hierzu ist es evtl. von Nutzen, dem LP 2 einen zeitlichen Intensitätsverlauf aufzuprägen derart, daß die zeitabhängige Abkühlung der Si-Schicht durch Anpassung des zeitlichen Impulsverlaufes verzögert wird. For this purpose, it is possibly useful, the LP 2 impose a temporal intensity profile such that the time-dependent cooling of the Si layer is delayed by adjusting the temporal pulse path. In diesem Zusammenhang bieten sich neben den schon erwähnten Nd-YAG Lasern auch CO 2 Laser- Pulse z. In this context, CO 2 laser pulses such offer, besides the already mentioned Nd-YAG lasers. B. aus transversal gepumpten Lasern an. B. at from transversely pumped lasers. Neben dem Typus TEA (transversal excited atmospheric) sind für Pulsdauern mit Pulslängen im Mikrosekundenbereich (mit Pulsschwänzen) besonders transversal gepumpte Laser, die bei Drucken unter halb 1 Atmosphäre betrieben werden, von Interesse. In addition to the type TEA (transversely excited atmospheric) are for pulse durations with pulse lengths in the microsecond range particularly transversely pumped (with pulse tails) laser operated at pressures below 12:30 atmosphere of interest. Hier existieren mehrere Verfahren insbesondere mit höherem Stickstoffanteil und reduziertem CO 2 Anteil im Lasergas und bei Verwendung geeigneter Resonatoren oder bei Kopplung zwischen einem CW-Laser und einem gepulsten TE-Laser (transversal excited) in einem gemeinsamen Resonator. Here, several methods exist in particular with a higher nitrogen content and reduced CO 2 content in the laser gas and with the use of suitable resonators or coupling between a CW laser and a pulsed laser TE (transversal excited) in a common resonator. Diese CO 2 - Langpulslaser haben Mikrosekundenpulse mit zeitlich abfallender Intensität und typische Intensitäten im 10 5 Watt-Bereich. This CO 2 - long-pulse lasers have microsecond pulses with time-decreasing intensity and typical intensities in 10 5 watt range.

Der Patentanspruch 1 beschreibt in pauschaler Weise die Anforderungen an die beiden verkoppelten Laserpulse basierend auf den hier dargestellten Erfindungsgedanken. in the standard way of claim 1 describes the requirements for the two coupled laser pulses based on those illustrated inventive idea. Fig. 1 beschreibt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur in der Halbleiterschicht sowie einen typischen Verlauf der beiden eingestrahlten Laserpulse. Fig. 1 schematically depicts the time course of temperature in the semiconductor layer, and a typical profile of the irradiated laser pulses. Die Ansprüche 2 und 3 umreißen die zur Realisierung der Laserpulse LP 1 und LP 2 bevorzugten anwendbaren Lasertypen und nehmen Bezug auf die relevanten Intensitäten und Impulslängen. The claims 2 and 3 outline the implementation of the laser pulses LP 1 and LP 2 preferred applicable types of lasers and refer to the relevant intensities and pulse widths. Die Ansprüche 4 bis 6 nehmen Bezug auf die bekannten Verfahren, die zum superlateralen Kristallwachstum führen. The claims 4 to 6 refer to the known methods which lead to the superlateralen crystal growth. Der Anspruch 7 bezieht sich auf die spontane Kristallisation. The claim 7 refers to the spontaneous crystallization. Der Anspruch 8 nimmt Bezug auf die Anwendung des Verfahrens für die z. The claim 8 refers to the application of the method for z. B. in der Solartechnik besonders interessanten Halbleitersubstanzen. As in solar technology particularly interesting semiconductor materials. Dem Anspruch liegt zugrunde, daß die in den Ansprüchen 2 und 3 zur Anwendung gelangenden Lasertypen auf Wellenlängen betrieben werden, die für alle Halbleiter des Anspruchs 8 geeignet sind, da die hierfür wesentlichen Voraussetzungen des Anspruch 1 nämlich ein steiler Abfall des Absorptionskoeffizienten α mit steigender Wellenlänge im sichtbaren Bereich (dh zwischen den Wellenlängen von LP 1 und LP 2) sowie Metallcharakter dh hoher Wert des Absorptionskoeffizienten im flüssigen Material für die Wellenlängen des LP 2 erfüllt sind. The claim is based, that the entering in the claims 2 and 3 for use types of lasers are operated at wavelengths which are suitable for all semiconductor of claim 8, since the purpose essential conditions of claim 1 namely, a steep decrease of the absorption coefficient α with increasing wavelength in the visible region (that is between the wavelengths of LP 1 and LP 2) and metal character are met that high value of the absorption coefficient in the liquid material for the wavelengths of the LP. 2

Literatur literature

1, 2 HJ Kim and JS Im Mat. Res. Soc. 1, 2 HJ Kim and JS in Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings, Vol. 321, 1994 and Vol. 397, 1996 [3] S. Christiansen, G. Hintz, M. Albrecht, HP Strunk, Ch. Ziener, H. Schillinger, R. Sauerbrey, J. Christiansen Confinement in Laser crystallization of amorphous silicon layers on glass Phys. Symp. Proceedings, Vol. 321, 1994 and Vol. 397, 1996 [3] S. Christiansen, G. Hintz, M. Albrecht, HP Strunk, Ch. Ziener, H. Schillinger, R. Sauerbrey, J. Christiansen confinement in laser crystallization of amorphous silicon layers on glass Phys. Stat. Stat. Sol. Sol. (a) 166, p. (A) 166, p. 675-685, 1998 675-685, 1998

Claims (11)

1. Verfahren zur Kristallisation amorpher Halbleiterschichten sowie zur Veränderung der Kristallstruktur polykristalliner Halbleiterschichten durch Bestrahlung mit gepulster Laserstrahlung aus (mindestens) zwei verschiedenen Strahlquellen mit den Laserpulsen LP 1 und LP 2 nach Fig. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserpulspaare folgende Eigenschaften aufweisen. 1. A process for crystallization of amorphous semiconductor layers as well as to change the crystal structure of polycrystalline semiconductor layer by irradiation with pulsed laser radiation from (at least) two different radiation sources with the laser pulses LP 1 and LP 2 of FIG. 1, characterized in that the laser pulse pairs have the following properties.
  • a) Die Laserpulse überlappen zeitlich oder der LP 2 folgt dem LP 1 in kurzem zeitlichen Abstand (kleiner als die Schmelzdauer des Targetmaterials) a) The laser pulses overlap in time or the LP 2 follows the LP 1 small in short time intervals (as the melting time of the target material)
  • b) Der Laserpuls LP 1 (vorzugsweise mit einer typischen Zeitdauer von 10 bis 50 nsec) führt zum kurzzeitigen totalen oder partiellen Aufschmelzen der von ihm bestrahlten Fläche, wobei das Strahlprofil durch optische Maßnahmen eine räumliche oder raumzeitliche Struktur aufweisen kann. b) The laser pulse LP 1 (preferably with a typical period of 10 to 50 nsec) leading to momentary total or partial melting of irradiated by him surface, the beam profile can have a spatial or spatio-temporal structure by optical measures. Der Laserpuls LP 2 ist homogen, vorzugsweise ist seine äußere räumliche Begrenzung gleich mit der äußeren Begrenzung des Profils von LP 1. Die Strahlung von LP 2 wird im wesentlichen im Bereich der durch LP 1 aufgeschmolzenen Gebiete der Targetoberfläche absorbiert und führt damit zur Verlängerung der Schmelzdauer in diesen Bereichen. The laser pulse LP 2 is homogeneous, preferably its outer spatial limitation equal to the perimeter of the section of LP 1. The radiation from LP 2 is substantially absorbed in the area of ​​the melted by LP 1 areas of the target surface and thus leads to the extension of the melting time in these areas.
  • c) Die Wellenlänge der Strahlung des LP 1 ist so gewählt, daß deren Reichweite (1/α) LP 1 in der zu kristallisierenden Halbleiterschicht kleiner oder vergleichbar ist mit der Schichtdicke. c) The wavelength of the radiation of the LP 1 is selected so that the distance (1 / α) LP 1 in the semiconductor layer to be crystallized is less than or comparable to the layer thickness. Die Wellenlänge von LP 2 ist so gewählt, daß die Reichweite (1/α) LP 2 in dieser Schicht im festen Zustand mindestens im Mikrometerbereich liegt, jedoch nur einige Nanometer (bis zu 30 nm) im flüssigen Material beträgt, derart, daß flüssiges Material selektiv die Strahlung absorbiert. The wavelength of LP 2 is selected so that the distance (1 / α) LP is 2 in this layer in the solid state at least in the micron range, but only a few nanometers (up to 30 nm) in the liquid material such that liquid material selectively absorbs the radiation.
  • d) Intensität und Pulsdauer sowie der zeitliche Abstand sind so bemessen, daß bei (vorzugsweise) vergleichbarer Fluenz (F = Intensität × Zeitdauer = Iτ) von LP 1 und LP 2 die Intensität von LP 2 so groß gewählt ist, daß in den relevanten Aufschmelzbereichen ein Wiedererstarren der Schmelze nach dem Ende von LP 1 weitgehend vermieden wird, mit der d) intensity and pulse duration and the time interval are such that comparable at (preferably) fluence (F = intensity × time = Iτ) of LP 1 and LP 2, the intensity of LP 2 is selected so large that in the relevant Aufschmelzbereichen a resolidification of the melt is substantially avoided after the end of LP 1 with the
    Vorschrift τ 1 < τ 2 vorzugsweise τ 1 « τ 2 Provision τ 12 τ preferably 1 «τ 2
    sowie I 1 < I 2 , vorzugsweise I 1 » I 2 and I 1 <I 2, preferably I 1 'I 2
wobei die Ablationsschwelle für LP 2 dessen Fluenz im wesentlichen begrenzt. wherein the ablation threshold fluence for LP 2 which substantially limits.
2. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 1 entweder 2. A process for the crystallization of semiconductor layers according to claim 1, characterized in that for the realization of the LP 1 is either
  • a) Excimerlaser mit 248 bzw. 308 nm Wellenlänge oder a) excimer laser with 248 nm wavelength and 308 or
  • b) Kupferaufdampflaser oder b) Kupferaufdampflaser or
  • c) frequenzverdoppelte oder verdreifachte Nd-YAG Laser und zur Realisierung des LP 2 entweder c) frequency-doubled or tripled Nd-YAG laser and the realization of the LP 2 either
    • a) Nd-YAG Laserpulse mit 1064 nm Wellenlänge und Zeitdauern τ 2 = 0,5 bis 2 µsec und Intensitäten bei dünnen Halbleiterschichten um 300 kW/cm 2 sowie < 300 kW/cm 2 bei dicken Schichten oder a) Nd-YAG laser pulses with wavelength of 1064 nm and durations τ 2 = 0.5 to 2 microseconds and intensities of thin semiconductor layers around 300 kW / cm 2, and <300 kW / cm 2 in thick layers, or
    • b) CO 2 -Laserpulse mit 10,6 µm Wellenlänge aus TEA oder TE Lasern mit Hauptpulsen der Breite 100 bis 500 nsec und Pulsschwänzen von 1 bis 10 µsec Dauer b) CO with the main pulses of the width 100 to 500 nsec 2 -Laserpulse 10.6 micron wavelength of TEA or TE lasers and pulse tails of 1 to 10 microseconds duration
verwendet werden. be used.
3. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 2 abweichend von den Details des Anspruchs 1 nicht Einzelpulse mit den Daten I 2 , τ 2 sondern statt dessen Pulsfolgen aus einer Relaxationsschwingung (sog. spiking) mit Einzelpulsbreiten um 1 µsec zur Anwendung kommen. 3. A process for the crystallization of semiconductor layers according to claims 1 and 2, characterized in that for the realization of the LP 2 deviating from the details of claim 1 is not single pulses with the data I 2, τ 2 but instead pulse sequences of a relaxation oscillation (so-called. spiking) with individual pulse width of 1 usec be used.
4. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Kristallwachstums der LP 1 eine Fläche oder mehrere Flächenstücke makroskopischer Länge (z. B. zwischen 30 µm bis zu einigen cm) und mikroskopischer Breite (z. B. einige µm) "linienhaft" aufschmilzt mit der Maßgabe, daß der LP 2 diese Fläche ebenfalls bestrahlt, derart, daß das jeweils folgende Laserpulspaar nach einer aufgeprägten Bewegung des Werkstücks entlang der aufgeschmolzenen Zonen partiell räumlich überlappt. 4. The method for crystallization of semiconductor layers according to claims 1 to 3, characterized in that for triggering the superlateralen crystal growth of the LP 1 an area or more area portions macroscopic length (z. B. between 30 microns to several cm) and microscopic width ( z. B. several micrometers) "linear manner" melts with the proviso that the LP 2 also irradiated this surface, such that the respectively following laser pulse pair partially spatially overlapped by an impressed movement of the workpiece along the fused zones.
5. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Strukturierung des LP 1 herbeigeführt wird, (alternativ) 5. The method for crystallization of semiconductor layers according to claims 1 to 4, characterized in that the spatial structuring of the LP is effected 1 (alternative)
  • a) durch die Anwendung einer konventionellen Maske oder a) by applying a conventional mask or
  • b) durch ein Interferenzstreifensystem nach Durchgang der Strahlung des LP 1 durch ein konventionelles Interferometer. b) by an interference fringe system after passage of the radiation of the LP 1 by a conventional interferometer.
6. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Wachstums ein räumlich periodisches laterales Temperaturgefälle ausgelöst wird durch Anbringung einer periodisch strukturierten transparenten Deckschicht (3) (nach Fig. 3) (z. B. aus SiO 2 , z. B. streifenweise aufgebracht) mit der Maßgabe, daß wegen des Antireflexverhaltens der Anordnung das Material nur hinter den Deckschichten (3) total aufschmilzt und bei Erstarrung das superlaterale Wachstum aufweist, wobei die Erstarrung durch das zeitliche Verhalten der Abkühlung nach Bestrahlung durch LP 2 gesteuert wird. 6. The method for crystallization of semiconductor layers according to claims 1 to 3, characterized in that for triggering the superlateralen growth, a spatially periodic lateral temperature gradient is caused by applying a periodically structured transparent outer layer (3) (FIG. 3) (eg. B ., SiO 2, z. B. stripwise applied) with the proviso that total melts because of the anti-reflective behavior of the arrangement the material only after the cover layers (3) and upon solidification having superlaterale growth, wherein the solidification by the temporal behavior of the cooling is controlled after irradiation by LP. 2
7. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine homogene oder eine räumlich strukturierte Halbleiterschicht evtl. hinter einer homogenen transparenten Deckschicht durch LP 1 gleichmäßig aufgeschmolzen wird und daß der LP 2 die Aufschmelzdauer verlängert und die Abkühlgeschwindigkeit reduziert und damit das Einsetzen der spontanen Kristallisation verzögert und damit die Dichte der spontanen Kristallisationskeime reduziert. 7. A method for crystallization of semiconductor layers according to claims I to 3, characterized in that a homogeneous or a three-dimensionally structured semiconductor layer is possibly melted uniformly behind a homogeneous transparent cover layer by LP 1 and that of the LP 2 prolongs the melting time and the cooling rate reduced and thus delays the onset of spontaneous crystallization, thereby reducing the density of the spontaneous crystallization nuclei.
8. Laserkristallisation nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus einer der folgenden Substanzen besteht. 8. Laser crystallization according to claims 1 to 7, characterized in that the semiconducting material consists of one of the following substances.
  • 1. amorphes Silizium aufgebracht nach einem der konventionellen Verfahren 1. amorphous silicon deposited by a conventional method
  • 2. gemischt amorph-kristallines Silizium aufgebracht nach Laserstrahlablation aus einen Target 2. mixed amorphous-crystalline silicon is applied to a target from Laserstrahlablation
  • 3. Ge amorph oder amorph-kristallin 3. Ge amorphous or amorphous-crystalline
  • 4. GeSi amorph oder kristallin oder amorph-kristallin 4. GeSi amorphous or crystalline or amorphous-crystalline
  • 5. Ga-As amorph oder kristallin oder amorph-kristallin 5. Ga-As amorphous or crystalline or amorphous-crystalline
mit der Maßgabe, daß die amorph-kristallinen Modifikationen ebenfalls durch Laserstrahlablation hergestellt wurden. with the proviso that the amorphous-crystalline modifications have also been made by Laserstrahlablation.
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