DE2723915A1

DE2723915A1 - Laser-zonenschmelzverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2723915A1
Application number: DE19772723915
Authority: DE
Inventors: Nobuo Kodera; Takashi Nishida; Tetsu Oi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1977-12-01
Also published as: GB1575440A; DE2723915B2; US4177372A; JPS541613B2; NL7705780A; JPS52143755A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Zonenschmelzverfahren, bei dem ein Laser verwendet wird, und insbesondere ein Zonenschmelzverfahren, bei dem ein hoher Temperaturgradient auf einer Dünnschicht oder einer Halbleiterdünnschicht durch Bestrahlen derselben nut einem Laserstrahl erzeugt wird, um das Zonenschmelzen durchzuführen. Darüberhinaus bezieht sich die Erfindung auch auf eine Zonenschmelzvorrichtung zur Durchführung des zuvor gemannten Zonenschmelzverfahrens.

Es ist allgemein bekannt, dass das Zonenschte]zen durch örtliches Schmelzen der Halbleiterdünnschicht, beispielsweise von InSb oder einem Substrat mit Laserstrahlen vorgenommen werden kann. Beispielsweise ist dies in ¹¹R. Traniello Gradasni, ALTA PREQUENZA, Nr. 7, Band XLIV, 1975, Seiten 350 bis 353" beschrieben.

Mit einem solchen Zonenschmelzverfahren werden die Körnungen bzw. Strukturen der Kristallite normalerweise gross bzw. grob und dabei werden auch Fremdatome und Verunreinigungen entfernt, so dass man eine InSb-Dünnschicht mit Eigenschaften erhalten kann, die denen von Einkristallen entsprechen. Wenn dabei Infrarotstrahlen, die von einem CO^-Laser oder einer entsprechenden Einrichtung ausgesendet werden, in diesem Falle verwendet werden, kann das Zonenschmelzen der InSb-Dünnschicht sogar unter einem hohen Temperaturgradienten durchgeführt werden, der zwischen den Werten 4-00°C/cm und 2000° C/cm liegt.

Das Zonenschmelzen bei einem hohen Temperaturgradienten dT/dx in der Richtung, in der sich die Schmelzzone bewegt (d. h. in der x-Richtung), führt zu einer wirkungsvollen Verfeinerung bzw. Reinigung des Kristalliten durch die Segregation der ursprünglich darin enthaltenen Verunreinigungen und Fremdatome und auch zur Auflösung oder Verhinderung von Blasen, Fehlstellen, Lunkern, Defekten usw, so dass äusserst reine HaIb-

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leiterdünnschichten ohne Kristall fehler auf einfache Weise erzeugt werden können.

Bei Gaslasern, bei denen Moleküle, beispielsweise C0~, CO, H^O oder HCN verwendet werden und die normalerweise eine Versorgungsquelle für eine hohe Spannung erfordern, liegen die Schwankungen der Laser-Ausgangsleistung P in einem Bereich von 1 bis 5 % bei einer Frequenz von mehreren Hertz bis einigen hundert Hertz. Infolgedessen schwankt die Temperatur in der Schmelzzone während des Zonenschmelzvorgangs in einem Bereich von etwa 5 bis 25° C bei einer Temperatur von 525° C (dem Schmelzpunkt des InSb-Kristalls) und in einem Bereich von etwa 14 bis 70° C bei einer Temperatur von 1410° C (dem Schmelzpunkt des Si-Kristalls). Dies wird durch die Tatsache noch verstärkt, dass die Wärmekapazität und das Volumen, das bei dem Dünnschichthalbleiter geschmolzen werden soll, im Gegensatz zum Zonenschmelzen von grossen Halbleitern äusserst klein (beispielsweise 100 um χ 10 mm χ 1 mm) ist. Ein solch kleines Volumen und die damit verbundene geringe Wärmekapazität führt daher unmittelbar zu Temperatur-Schwankungen der Schmelzzone.

Ein erster Nachteil einer herkömmlichen Dünnschicht-Zonenschmelzvorrichtung mit einem Laser besteht darin, dass Kristallfehler und nicht-stöchiometrische Uberschussatome in Verbindungshalbleitern auf Grund der zuvor beschriebenen Schwankungen der Temperatur T und auch auf Grund der unerwünschten Änderung des Temperaturgradienten dT/dx in der Zonenschmelzrichtung (der x-Richtung) erzeugt werden.

Darüberhinaus weist der Laserstrahl mit einem Querschnitt von 8 mm Breite und 5 mm Länge, der auf die Dünnschichtoberfläche auffällt, eine höhere Energiedichte in.der Mitte als am Rande auf. Eine solche ungleichmässige Verteilung der Energiedichte innerhalb des Strahlquerschnitts führt zu einer ungleichmässigen Temperaturverteilung in der Schmelzzone während des Zonenschmelzvorgangs. Lies verursacht direkt einen unerwünschten

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Teinperaturgradienten dT/dy in der senkrecht auf der Zonenschmelzrichtung (x-Richtung) stehenden Richtung (der y-Richtung). In diesen Fällen hat sich herausgestellt, dass sich während und nach dem Zonenschmelzen eine DickenSchwankung bzw. Dickenriffelung mit einer Oberflächenrauhigkeit in der Grosse von 0,1 bis 10/Um auf der Halbleiterdünnschicht bildet.

Der zweite Nachteil einer herkömmlichen Dünnschicht-Laserzonenvorrichtung, bei dem ein Laser verwendet wird, liegt darin, dass rauhe Oberflächen, d. h. Welligkeiten oder Falten von mehr als 0,1 um nicht vermieden werden können. Die Bildung derartiger Welligkeiten oder Falten auf dcjr Oberfläche von Dünnschichten im Verlauf des Zonenschmelzvorgangs führt auf Grund der ungleichmässigen Wärmeleitung (beim Aufheizen und beim Kühlen) zu örtlichen Inhomogenitäten hinsichtlich der Temperatur, so dass dT/dy / 0 wird. Diese Tatsache führt zu nicht-stöchiometrischen Uberschussatomen der chemischen Bestandteile oder Komponenten, zu Kristallgitter-Versetzungen und -Verschiebungen, zu Kristall (Punkt)-fehlern und zu Einschlüssen und sonstigen Fehlern innerhalb des Dünnschichtkristalls.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Zonen schmelzverfahr en und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das bzw. die die verschiedenen, zuvor erwähnten Nachteile der herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen nicht aufweist, wobei die Temperaturschwankungen sowie die räumlichen Inhomogenitäten in der Schmelzzone der Dünnschicht während des Schmelzvorgangs verringert werden und dadurch Dünnschichten oder Halbleiterdünnschichten mit hoher Qualität und mit guten elektrischen Eigenschaften erzielt werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren und die Vorrichtung gemäss Anspruch 7 6^e~ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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Mit dem erfindungsgemassen Zonen-Schmelzverfahren wird die zuvor genannte Aufgabe also dadurch gelöst, dass der Laserstrahl, mit dem die Dünnschicht bestrahlt wird, einerseits mit einer Frequenz über 1 Hz hin- und herschwingend in der y-Richtung abgelenkt wird, die im wesentlichen senkrecht auf der Vorschubrichtung (der x-Richtung) der Schmelzzone steht, und dass der vom Laserstrahl bestrahlte Bereich andererseits in der x-Richtung von einem Ende der Dünnschicht zum anderen Ende derselben bewegt bzw. verschoben wird.

Bei dem erfindungsgemassen Verfahren kann eine ungleichmässige Temperaturverteilung in der y-Richtung der Schmelzzone in der Dünnschicht dadurch verhindert werden, dass der Laserstrahl in der y-Richtung hin- und herschwingend abgelenkt wird, und der Temperaturgradient dT/dy in der y-Richtung kann auch nahezu zu Null gemacht werden.

Die Laserstrahl-Ausgangsleistung muss möglichst kontinuierlich sein, vorzugsweise dürfen die Schwankungen der Laserstrahl-Ausgangsleistung nicht mehr als 1 % betragen.

Wenn die Ablenkfrequenz des Laserstrahls in der y-Richtung kleiner als 1 Hz ist, kann eine ungleichmässige Temperaturverteilung in der y-Richtung auftreten, so dass manchmal unerwünschte teilweise nicht-geschmolzene Bereiche festgestellt werden, an Stellen, wo die Schmelzzone homogen gehalten werden sollte.

Grundsätzlich gibt es keine obere Grenze für die zuvor erwähnte Ablenkfrequenz, da die Wärmezeitkonstante der Dünnschicht kleiner wird, wenn die Ablenkfrequenz erhöht wird. Es ist jedoch praktisch nicht möglich, die Frequenz zu erhöhen, ohne dass dadurch weitere Vorteile auftreten. Tatsächlich kann die Frequenz bis zu einer Grössenordnung von 1000 Hz erhöht werden, jedoch ist keine besondere Wirkung dabei zu erwarten, wenn die Frequenz über einen bestimmten Wert erhöht wird. Das Ablenkungszentrum liegt natürlich etwa in der Mitte der Dünnschichtbreite in der y-Richtung.

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" y —

Obgleich die Ausgangsleistung des Laserstrahls, die zum Schmelzen des vorliegenden Materials erforderlich ist, je nach dein Material und den Abmessungen der Dünnschicht, dem Material und den Abmessungen eines Substrats, auf dem die Dünnschicht ausgebildet ist, und anderen thermischen Unigebungsbedingun^en unterscheidet, so reicht doch bei einer inSb-Dünnschicht eine auf die Dünnschicht auffalende Leistung von mehr als Λ V/, vorzugsweise 2 bis 200 W, aus. Dieser Leistungsbereich gilt auch für Dünnschichten, die aus anderen Materialien hergestellt sind. Als Laserstrahl wird normalerweise ein Laserstrahl eines CO^-Lasers verwendet, weil der COp-Laser im Vergleich zu anderen Lasern eine hohe Ausgangsleistung aufweist und zuverlässig und ohne Schwierigkeiten arbeitet. Jedoch können auch andere Laser verwendet werden.

Als Querschnittsform des Laserstrahls ist eine Rechteckform oder eine Ellipsenform am geeignesten. Jedoch kann auch ein einen kleinen kreisförmigen Querschnitt aufweisender Laserstrahl verwendet werden, der direkt von einem Laser abgegeben wird. Zum Ändern der Querschnittsforra des Laserstrahls können beispielsweise konvexe Zylinderlinsen oder konkave Zylinderspiegel verwendet werden. Es kann aber auch ein konkaver sphärischer Spiegel und eine herkömmliche Blende bzw. ein herkömmlicher Schlitz gemeinsam verwendet v/erden. Vorzugsweise ist die Länge des ein-dimensionalen, langgestreckten Querschnitts des Laserstrahls in der y-Bichtung so gross, dass der Laserstrahl die Länge der dem Zonenschmelzverfahren unterliegenden Dünnschicht in der y-Richtung in ausreichender Weise überdeckt. Der vom Lager kommende Strahl hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von üblicherweise 3 bis 10 mm. Ein Strahlaufweiter, der aus zwei konvexen sphärischen Linsen oder zwei konvexen sphärischen Spiegeln besteht, kann zur Vergrösserung des Strahldurchmessers verwendet werden. Nach der Vergrösserung wird die Querschnittsform des Laserstrahls in eine rechteckige oder Ellipsenform gebracht, wie dies bereits erwähnt wurde. Bei diesen Formänderungen ist die querschnittsmässige Strahl-

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form des Lasers freiwählbar und nicht auf irgendeine Querschnittsform beschränkt. Darüberhinaus kann als Strahlaufweiter eine Hora-Anordnung, die aus vier jeweils seitlich miteinander in Verbindung stehenden Spiegeln besteht. Die Strahlbreite in der x-Richtung sollte bei dem in seinem Durchmesser vergrösserten Laserstrahl etwa zwischen 0,3 mm und etwa 1/5 der Länge des Dünnfilms in der x-Richtung liegen. Die untere Grenze wird durch die Wellenlänge des Laserstrahls festgelegt und beträgt bei einem CO^-Laser oder einem entsprechenden Laser etwa 0,3 mm. Es sei jedoch erwähnt, dass der zuvor genannte Wert in der Praxis ein Grenzwert ist. Es ist jedoch nicht vorteilhaft, die Breite des Laserstrahls grosser als 1/5 der Länge der Dünnschicht zu machen, weil der Wirkungsgrad bei der Zonenreinigung verringert wird. Es genügt, den vergrösserten Laserstrahl in der y-Richtung so lang zu machen, dass diese Länge etwa gleich der Breite des Dünnfilms in der y-Richtung ist, wie dies be reits erwähnt wurde.

Wenn irgendein auf dem Markt erhältliche Lasergerät verwendet wird und der Laserstrahl nicht aufgeweitet wird, besitzt der Strahl einen Kreisquerschnitt mit beispielsweise einem Durch messer von 3 bis 8 mm. In diesem Falle kann eine Ablenkfrequenz in der y-Richtung von mehr als 1 Hz verwendet werden, um die allgemeinen Forderungen zu erfüllen, es ist jedoch vorteilhafter, Frequenzen über 10 Hz zu verwenden.

Die Spitzen-zu-Spitzen-Amplitude der Ablenkung des Laserstrahls in der y-Richtung kann auf die Breite der Dünnschicht in der y-Richtung eingestellt werden. In diesem Falle tastet das Zentrum des Strahls oder der Strahlteil mit hoher Intensität den Dünnfilm in der y-Richtung von einem Ende zum anderen Ende ab.

Wie bereits erwähnt, ist es bei der vorliegenden Erfindung wünschenswert, die Leistungsschwankungen des Laserstrahls unter 1 % zu drücken. Wenn die Leistungsschwankungen über 1 % liegen,

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treten unerwünschte Temperaturschwankungen dT/dx auf und führen zu Dickenschwankungen des Films und zu Kristallfchlern, da die Temperatur T in der Schmelzzone der Dünnschicht sich in der Richtung des Zonenschmelzvorgangs (der x-Richtung) zeitlich ändert. Dies tritt auch dann auf, wenn die AbIenk-Trequenz des Laserstrahls in der y-Richtung kleiner als 1 Hz ist.

Diese Forderungen und Vorteile werden mit dem in Anspruch 3 angegebenen, erfindungsgemässen Laser-Zonenschmelzverfahren erfüllt bzw. erzielt. Durch die Regelung der Laser-Ausgangsleistung werden also TemperaturSchwankungen in der Schmelzzone der Dünnschicht vermieden. Zur Temperaturmessung können optische Einrichtungen, beispielsweise ein Iufrarot-Mikrockop oder eine Infrarot-Fernsehkamera verwendet werden. Darüberhinaus befindet sich zwischen der elektronischen Schaltung in der Temperaturmesseinrichtung und dem Leistungsregler im Lasergerät ein Trennverstärker, mit dem eine Impedanzanpassung vorgenommen wird. Dafür können herkömmliche Einrichtungen und Schaltungen verwendet werden.

Das Bestrahlen der Dünnschicht mit dem Laserstrahl in der x-Richtung vom einen Ende zum anderen Ende kann entweder durch Verschieben des Laserstrahls in der x-Richtung oder durch Verschieben der Dünnschicht selbst in der x-Richtung vorgenommen werden.

Die hin- und herschwingende Ablenkung des Laserstrahls in der y-Richtung wird mit einem Reflektor erreicht, der im Strahlengang liegt und der mit einer mechanischen Einrichtung, beispielsweise einer Nocke, einem Mitnehmer oder einer ähnlichen Einrichtung, oder mittels einer elektromagnetischen Anordnung, zum Schwingen gebracht wird.

Es ist sehr schwierig, eine gleichmässige Schicht herzustellen, wenn die Dünnschichtdicke kleiner als 100 S ist. Wenn die

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Dünnschichtstärke Jedoch über etwa 100 um hinausgeht, können Palten und Unebenheiten sowie Kristallfehler nicht vermieden werden, weil sowohl eine heftige, starke Konvektion der Atome der chemischen Komponenten oder Bestandteile in dem geschmolzenen Bereich in der Dickenrichtung und die Oberflächenspannung, die durch die geringe Benetzung zwischen der Substratoberfläche und dem geschmolzenen Bereich verursacht wird, die Tendenz der Agglomerierung der Schicht vergrössert. Bei einer Schicht mit einer Dicke über 100 ixm kann die Schicht manchmal an bestimmten Stellen bzw. örtlich agglomerieren und dadurch an einigen Stellen, wo die Schicht örtlich nicht vorhanden ist, brechen oder reissen. Daher ist das erfindungsgemässe Verfahren für das Zonenschmelzen einer Dünnschicht mit einer Dicke von etwa 100 A bis 100 um vorgesehen.

Wenn die Laser-Ausgangsleistung P kleiner als 1 W ist, kann die vorliegende Dünnschicht in einigen Fällen nicht zum Schmelzen gebracht werden, weil sie durch das Substrat gekühlt wird. In der Praxis ist in den meisten Fällen eine Leistung von 2 bis 200 W erforderlich. Die erforderliche Leistung muss jedoch in Abhängigkeit von der Substratart gewählt werden, auf der eine Dünnschicht aufgebracht ist. Um das Schmelzen der Schicht zu beschleunigen, kann das Substrat zusätzlich auch von unten her erhitzt werden. In einigen Fällen kann das Substrat auch mittels der Substrat-Halterungseinrichtung (einer Wasserkühlung) gekühlt werden. Im letzteren Falle wird der Temperaturgradient dT/dx an der Schmelzzone auf dem Halbleiter gross, wodurch ein äusserst reiner Kristall ohne Kristallfehler leicht erreicht werden könnte. Wenn die Laser-Ausgangsleistung P jedoch zu klein ist, wird die Dünnschicht nicht geschmolzen. Bei den zuvor beschriebenen Heiz- und Kühlverfahren muss natürlich die entsprechende lagemässige Einheitlichkeit bzw. Gleichförmigkeit der Heizung und Kühlung vorgesehen werden.

Wie durch die Erläuterungen des zuvor beschriebenen, erfindungsgemässen Laser-Zonenschmelzverfahrens deutlich wird, ist die erfindungsgemasse Laser-Zonenschmelzvorrichtung ein Gerät,

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bei dem das Zonenschmelzen der Dünnschicht durch Verwendung von Einrichtungen zum Bestrahlen der Dünnschicht mit dem Laserstrahl durchgeführt wird. Die erfindungsgeinässe Vorrichtung besitzt erste Einrichtungen, mit denen der Laserstrahl mit einer Frequenz von über 1 Hz hin- und herschwingend in der Richtung abgelenkt wird, die im wesentlichen senkrecht auf der Vorschubrichtung der Schmelzzone liegt. Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemässe Vorrichtung zweite Einrichtungen, die die Schwankungen der Laserstrahl-Ausgangsleistungen über die Zeit auf einen Wert unter 1 % begrenzen.

Die gestellte Aufgabe löst insbesondere die in Anspruch 7 und 8 angegebenen Laser-Zonenschmelzvorrichtungen.

Es können auch Einrichtungen zur Verbreiterung bzw. Vergrösserung des Laserstrahl-Durchmessers in dor y-Richtung und v/eitere zusätzliche Einrichtungen vorgesehen werden, wie dies bereits zuvor erwähnt wurde. Die Kammer, in der die dem Zonenschwelζ-verfahren zu unterziehende Dünnschicht untergebracht ist, muss so ausgebildet sein, dass die Luft in entsprechender Weise wie bei den herkömmlichen Zonenschmelzgeräten abgesaugt werden kann. Darüberhinaus sollte die Kammer so ausgebildet sein, dass Gase in die Kammer eingelassen werden können, um das Aufheizen in der gewünschten Gasatmosphäre zu ermöglichen.

Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren und mit der erfindungsgemässen Vorrichtung hergestellte Dünnschicht weist daher im Vergleich zu der durch herkömmliche Verfahren und Geräte hergestellte Dünnschichten folgende Vorteile auf:

i) Die Temperaturstabilität und Temperaturgleichförmigkeit in der Schmelzzone der Dünnschicht wird durch Ablenken des Laserstrahls, der in der y-Richtung hin- und herschwingt, erheblich verbessert. Infolgedessen treten wesentlich weniger nicht-stöchiometrische Uberschussatome in den chemischen Bestandteilen und wesentlich weniger Kristall fehler in der Dünnschicht auf. Daher werden im Falle von Halbleiter-Dünnschichten die Elektro-

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nenbeweglichkeit uH und der Hall-Koeffizient E„ wesentlich grosser.

ii) Die entsprechenden, unter i) beschriebenen Effekte und Auswirkungen können durch Begrenzen der Leistungsschwankungen des Laserstrahls unter 1 % erreicht werden.

iii) Bei Halbleiter-Dünnschichten ist - wie bereits beschrieben die Elektronenbeweglichkeit uH grosser, so dass das Rauschen bzw. Stromstörungen oder Stromsrauschen in einem Element, bei dem die Halbleiter-Dünnschicht verwendet wird, erheblich geringer ist.

iv) Eine weitere Verbesserung des Hall-Koeffizienten Rg bei einer bereits hergestellten Halbleiter-Dünnschicht kann dadurch wirkungsvoll erreicht werden, dass üie Halbleiter-Dünnschicht bewusst mit einer bestimmten Fremdatomart dotiert wird, weil die ursprüngliche Dünnschicht äusserst rein erhalten wird, wie dies unter i) bis iii) bereits angegeben wurde.

v) Da der Laserstrahl in der y-Richtung abgelenkt wird, kann der Zonenschmeluvorgang auch für Dünnschichten durchgeführt werden, die in der y-Richtung relativ breit sind.

vi) Die Oberflächenrauhigkeit ist bei der mit dem erfindungsgemässen Zonenschmelzverfahren behandelten Dünnschicht kleiner als 0,1 um.

Darüberhinaus ergeben sich mit dem erfindungsgemässen Laser-Zonenschmelzverfahren ganz allgemein folgende besondere Wirkungen und Vorteile.

vii) Als Wärmequelle für den Schmelzvorgang wird eine Laser-Lichtquelle verwendet, so dass keine Verunreinigung der Dünnschicht auf Grund der Wärmequelle auftritt.

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viii) Da ein Laserstrahl benutzt wird, kann der Zonenschmelzvorgang in der Dünnschicht mit einem sehr grossen Temperaturgradienten durchgeführt werden.

ix) Während des Zonenschmelzvorgangs kann irgendeine Gasatmosphäre verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemässen Laser-Zonenschmelzverfahren und bei der Vorrichtung zur Durchführung dos Laser-Zonenschmelzverfahrenc im Zusammenhang mit einer Dünnschicht, die mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, wird der Laserstrahl mit einer Frequenz über 1 Hz in der Richtung hin- und hergoschwenkt, die im wesentlichen zur Vorschubrichtung einer Schmelzzone senkrecht steht, und die Schwankungen der Laserstrahl-Ausgangsleistung wird auf einen Wert unter 1 % geregelt. Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten, dem Zonenschmelzverfahren unterzogenen Dünnschichten weisen wegen der geringen Kristallfehler und Kristallverunreinigungen und wegen der geringen nicht-stöchiometrischen Uberschussatome in den chemischen Bestandteilen sehr gute elektrische Eigenschaften auf. Darüberhinaus sind die DickeSchwankungen der erfindungsgemäss erzeugten Schichten sehr gering, weil zeitliche Temperaturschwankkungen und zeitliche und räumliche Inhomogenitäten beim ZonenschmelζVorgang vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches das Grundkonzept einer erfindungsgemässen Laser-Dünnschicht-Zonenschmelzvorrichtung wiedergibt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die der Erläuterung des Laserstrahl-Verlaufes gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Zonenschmelzkammer für die Laser-Zonenschmelzvorrichtung bei einer der erfindungsgemässen Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Anordnung der Zonenschmelz vorrichtung.

Als Lasergerät wird ein CC^-Laser verwendet, der eine Hennausgangsleistung von 40 W besitzt. Der CC^-Laser ist im Hinblick auf die grosse Ausgangsleistung vorzuziehen, es können jedoch auch andere Laserarten verwendet werden. Das Lasergerät umfasst ein Laserrohr 2, welches normalerweise als COp-Laser bezeichnet wird, eine Energiequelle 1 für das Lasergerät und Leistungs-Steuereinrichtung bzw. einen Leistungsregler 7· Das vom COp-Laser 2 abgegebene Licht wird mittels eines Strahlabtasters 3 nach links und rechts hin- und her abgelenkt, der einen Spiegel zum Schwingen bringt, und das Lrfserlicht wird dann in eine Zonenschmelzkammer 4 eingeführt, in der eine Dünnschichtprobe angeordnet ist. Die Temperatur in der Schmelzzone der Dünnschichtprobe wird mittels einer Thermometeranordnung 5 gemessen, die beispielsweise optische Einrichtungen, etwa ein Infrarot-Mikroskop oder eine Infrarot-Fernsehkamera aufweist. Das der Temperaturschwankung entsprechende elektrische Signal wird über einen Trennverstärker 6 dem Leistungsregler 7 zugeführt, der die Laser-Ausgangsleistung regeln kann. Die Energiequelle 1 wird mit diesem Signal gesteuert bzw. geregelt und das vom COp-Laser 2 abgegebene Licht wird so eingestellt, dass die Temperaturs^cnwankung oder Temperaturänderung in der Schmelzzone der Dünnschichtprobe ausgeglichen bzw. verhindert wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Zonenschmelzkammer 4, die im wesentlichen aus einer Kammer mit einer Halterungseinrichtung 31 zum Halten des Probenstückes besteht. Die Kammer ist so ausgebildet, dass Luft wie bei dem herkömmlichen Zonenschmelzgerät abgesaugt werden kann, und die Kammer und das Vakuumpumpensystem 40 stehen bei diesem Ausführungsbeispiel über ein Faltenbalg bzw. ein elastisches Rohr in Verbindung, weil die Kammer selbst beweglich sein soll. Das Probenstück kann durch Verschieben der Kammer selbst oder durch Verschieben des Probenstückes in .der Kammer verschoben werden, wie dies

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zuvor bereits beschrieben wurde. Die Kammer wird entlang einer Schiene 35 verschoben und langsam mittels eines üblichen Fein-Antriebssystems 36 bewegt, welches aus einer Welle, Zahnrädern und einem Motor besteht.

Ein Gasversorgungssystem 32 wii'd dazu verwendet, irgendeine Gasart während des Zonenschmelzvorgangs in die Kammer einzuleiten. Durch ein Fenster 33 gelangt der Lichtstrahl vom Strahlabtaster 3 in die Kammer und über ein Fenster 34 wird die Temperatur innerhalb der Kammer gemessen. Das Fenster 33 besteht beispielsweise aus Ge oder ZnSe, da die Wellenlänge des COp-Lasers 10,6 um beträgt. Das Fenster 34 besteht dagegen aus Quarz. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Fenster 34 direkt über dem Probenstück und das Fenster 33 ißt am oberen Teil der Kammer in diagonaler Richtung angeordnet. Die Anordnung der beiden Fenster kann jedoch auch umgekehrt sein oder beide Fenster können in diagonaler Richtung bzw. in schräger Richtung angeordnet sein. Unter dem Probenhalter befindet sich eine Heizeinrichtung 37 und ein Kühlrohr 38.

Nachfolgend soll der Lichtweg des Laserstrahls einschliesslich des Strahlabtasters des Zonenschmelzgerätes anhand von Fig. im einzelnen erläutert werden. Der vom COp-Leser 21 abgegebene Lichtstrahl besitzt einen Durchmesser von 8 mm und wird mit einer Spiegelkombination aus konkaven sphärischen Spiegeln und 23 auf einen Durchmesser von 32 mm vergrössert. Der in seinem Durchmesser vergrösserte Strahl fällt auf den konkaven, zylinderförmigen Spiegel 24 auf und sein kreisförmiger Querschnitt wird in einen elliptischen Querschnitt umgesetzt. Kurz gesagt, ist der vom konkaven Zylinderspiegel 24 ausgehende Lichtstrahl ein in seinem Durchmesser langgestreckter Lichtstrahl etwa in einer Rechteckform mit Seitenlangen von 2 χ 30 mn. In Fig. 2 ist der Querschnitt des Laserstrahls - gesehen von einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung - durch die mit den Bezugszeichen 27» 28 und 29 versehenen Querschnitten dargestellt. Ein Pfeil 50 deutet die Verschiebungsrichtung des Probenstückes an, welches dem Zonenschmelζverfahren unterworfen _wird. 709848/1205

Normalerweise ist es vorteilhaft, einen in seinem Querschnitt langgestreckten Strahl von 1 bis 2 mm χ 20 bis 30 mm zu verwenden. Der in seinem Querschnitt langgestreckte Strahl wird bei dieser Ausführungsform mit einem konkaven Zylinderspiegel 24 erzeugt. Diese Strahlform kann auch mit einer kombinierten Anordnung eines konkaven sphärischen Spiegels und eines Schlitzes bzw. eines Spaltes geschaffen werden, der durch zwei wassergekühlte Lichtblendenplatten gebildet wird. Der Aufbau des Strahlabtasters ist nicht auf die hier beschriebene und dargestellte Ausbildung beschränkt. Anstelle des konkaven Zylinderspiegels und des konkaven sphärischen Spiegels können beispielsweise auch konvexe Zylinderlinsen verwendet werden.

Der in seinem Querschnitt langgestreckte Strahl 25 ist für das Zonenschmelzen einer Halbleiter-Dünnschicht mit einer Breite von weniger als 30 mm geeignet. Die Lichtenergiedichte ist jedoch in der Mitte hoch und am Rande gering. Venn der im Durchmesser langgestreckte Lichtstrahl so wie er ist verwendet wird, ergeben sich nach dem ZonenschmelzVorgang auf der Oberfläche der Dünnschicht Falten und Unebenheiten. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird der konkave zylindrische Spiegel 24 auf mechanische Weise in der durch den Pfeil 51 in Fig. 2 angedeuteten Richtung in Schwingungen gesetzt und wirkt als Strahlabtaster. Die Schwingungsfrequenz des Spiegels kann bis zu 3 bis 10 Hz betragen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese Schwingung durch eine Kombination 52 aus einem Motor und einer Nocke bzw. einem Exzenter oder einem Mitnehmer in herkömmlicher Weise hervorgerufen. Es können Jedoch auch elektromagnetische Einrichtungen hierfür verwendet werden. Die Lichtstrahlablenkung auf Grund der Spiegelschwingung wird so durchgeführt, dass die hohe Energie bzw. Intensität in der Mitte des Lichtstrahls in ausreichender Weise die gesamte Breite des Probenstückes überstreicht. Oder anders ausgedrückt, die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Lichtstrahles, der über die Probenoberfläche streicht, ist auf fast dieselbe Breite wie das Probenstück eingestellt. Durch den in der zuvor beechrie-

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benen Weise aufgebauten Strahlabtaster konnte eine gleichförmige Temperaturverteilung in der Strahlablenkrichtung (d. h. in der zur Zonenschmelzrichtung senkrechten Richtung) an dem geschmolzenen Teil der Dünnschicht auf dem Substrat 26 erhalten werden, Der Zonenschmelzvorgang der Halbleiter-Dünnschicht wird durch Verschieben des Substrates 26 durchgeführt, wobei die Halbleiter-Dünnschicht mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Strahlabtastung bewegt wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Kammer selbst verschoben und die Verschiebegeschwindigkeit des Substrats ist in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,1 bis 200 iam/Sek. einstellbar.

Die Temperaturmessung und die Rückkopplung zum Leistungsregler wird mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die höchste Temperatur in der Schmclzzone wird zunächst beispielsweise mit einer Infrarot-Fernsehkamera 4-1 festgestellt, wobei die höchste Temperatur der höchsten Ausgangsspannung des Fernseh-Videosignals entspricht. Die dem Temperaturpegel entsprechende Spannung wird zunächst in der elektronischen Schaltung gespeichert und dann mit einer vorgegebenen Bezugsspannung verglichen, um die Abweichung bzw. die Differenz zu erhalten, die dann zum Leistungsregler im Lasergerät rückgekoppelt wird. Der Trennverstärker 6 in Fig. 1 ist dazu vorgesehen, um das Lasergerät und die elektronische Schaltung für die Temperaturmessung impedanz massig anzupassen und als Trennverstärker kann irgendein herkömmlicher Trennverstärker verwendet werden. Die Einregelzeit bzw. Einsprechzeit des elektrischen Schaltungssystems zwischen der die Temperatur feststellenden Infrarotkamera 41 und dem Leistungsregler 7 ist veränderlich, jedoch so ausgebildet, dass sie mit einer hohen Frequenz, die im Hinblick auf die thermische bzw. Wärme-Zeitkonstante (etwa 0,1 Sek.) der Schmelze über 10 Hz liegt.

Mit dem erfindungsgemässen Laser-Dünnschicht-Zonenschnelzgerät lassen sich folgende Vorteile erzielen:

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i) Die relativen Teraperaturschv/ankungen im Schmelzbereich der Dünnschicht können auf Grund der Rückkopplung der elektrischen Signale, die der Temperaturschwankung entsprechen, besser als 1 % ausgeregelt werden.

ii) Die relativen Teraperaturschv/ankungen in der Schmelzzone, die etwa 30 mm in Richtung der Strahlablenkung lang ist, können auf Grund der mit hoher Geschwindigkeit vorgenommenen Schwingungsablenkung des im Querschnitt langgestreckten Lichtstrahls.im Strahl abtaster besser als 1 % ausgeregelt werden, und dadurch lässt sich in der Schmelzzone eine gleichförmige Temperaturverteilung erzielen.

Nachfolgend sollen die Ergebnisse eines Zonenschmelzverfahrens bei einem Compound-Halbleiter InSb beschrieben werden, wenn die erfindungtßemässe Vorrichtung verwendet wird.

Es wurde Helium (He) mit einer Strömungsmenge von 2,0 l/Min, in die Kammer eingeleitet und die Laser-Ausgangsleistung war so eingestellt, dass die Schmelzzone in der Dünnschicht durch den auffallenden Laserstrahl auf eine Temperatur von 710 C maximal aufgeheizt wurde. Es wurde eine InSb-Dünnschicht verwendet, die dadurch hergestellt wurde, dass InSb in einer Dicke von 0,2 um auf das Saphir- bzw. Blauquarzsubstrat von 30 mm χ 30 mm aufgebracht wurde und die InSb-Schicht mit dem CVD (chemical vapor deposition^Verfahren bzw. durch chemische Gasphasenabscheidung auf Grund der thermischen Zersetzung von Aluminiumisopropoxid mit einer 0,8 um dicken A^O^-Glasschicht beschichtet wurde. In entsprechender Weise wurde eine Dünnschicht verwendet, die dadurch hergestellt wurde, dass in einer Dicke von 6/um InSb auf die Blauquarz- bzw. Saphitplatte von 30 mm χ 30 mm und dann darauf eine 0,1 um dicke InoO^-Schicht aufgebracht wurde. Beim Zonenschmelzvorgang betrug die Verschiebegeschwindigkeit des Probenstücks 5 um/Sek., die Zonenbreite 0,8 mm und die Ablenkfrequenz des Laserstrahls 10 Hz. Darüberhinaus wurde der Zonenschmelzvorgang mit Ablenkfrequenzen von 1,5 und 30 Hz durchgeführt, es ergaben sich jedoch praktisch

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dieselben Ergebnisse. Nach dem Zonenschmelzvorgang konnte festgestellt werden, dass keine Falten oder Unebenheiten und Anlagerungen bzw. Agglomerationen auf der auf dem Substrat befindlichen InSb-Schicht auftraten, und dass die Inßb-Schicht ebener als 0,1 um/30 mm war. Für die elektrische Mssung wurden InSb-Schichten einer Hall-Element-Form durch Entfernen der ^A12°3~^{oder In}2°3"^{Scllicllt auf der} InSb-Schicht durch Atzen oder durch mechanisches Schleifen und nachfolgendes Photoätzen der InSb-Schicht ausgebildet. Die Ergebnisse der HaIl-Effektinesr.Lius zeigten, dass Hall-Koeffizienten R_Tt und die Elektronenbeweglicnkeit/uH bei Zimmertemperatur 350 cnr/C bzw. 5500 cm /V Sek. für eine 0,2 um dicke InSb-Schicht und 330 cmVC bzw. 69 300 cm /V Sek. für eine 6 um dicke InSb-Schicht betrug. D. h., es wurde ein Dünnschicht-Kristall mit hoher Qualität erhalten, weil der zuvor angegebene Wert für die Elektronenbeweglichkeit für die InSb-Dünnschicht äusserst gross ist. Nebenbei sei bemerkt, dass die Elektronenbeweglichkeit für einen InSb-Einkristall 78000 cm²/V Sek. beträgt und der Wert 69 300 cm²/V Sek. ist mit diesem Wert beinahe identisch. In der einschlägigen Literatur wurde angegeben, dass der Wert für die Elektronenbeweglichkeit uH bei einer Dicke von 0,2 um zwischen 1/10 bis mehreren Zehntel des Wertes des Einkristalles liegt, so dass der Wert von 5500 cm /V Sek. zeigt, dass die mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Kristalle sehr gut sind. Wenn der Lichtstrahl bei dem zuvor beschriebenen Laser-Dünnschicht-Zonenschmelzgerät nicht oszillatorisch abgelenkt wird, war die Unebenheit bzw. das sogenannte Rolling der InSb-Schicht-Oberfläche bei einer 6 lim dicken InSb-Schicht unterhalb der In^O^-Schicht bis zu

+1,5/un gross. Die Messungen ergaben für R™ den Wert 330 cnr/C und für iiH den Wert 62 500 cm /V Sek., und die Schichtgüte war etwas schlechter als im zuvor beschriebenen Falle. Zum Vorgleich betrug die Elektronenbeweglichkeit uH der 6 um dicken InSb-Schicht, die mit einem Zonenschmelzgerät, bei dem das herkömmliche Heizdrahtverfahren angewandt wird, hergestellt wurde, etwa 57 000 bis 61 000 cm²/V Sek.

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Die vorliegende Erfindung wurde beispielsweise anhand des InSb-Dünnschicht-Kristalls beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch im Zusammenhang mit Si und Ga In,. Sb verwendbar, die bessere elektrische Eigenschaften besitzen. Darüberhinaus muss der Laserstrahl-Querschnitt nicht notwendigerweise ellipsenförmig sein. Vielmehr kann er je nach der Substratform beliebig so gewählt werden, solange nur die Dünnschicht auf dem Substrat ausreichend homogen geschmolzen werden kann.

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Leerseite

Claims

PA". SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOFF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2*3, MDNCHTN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O. D-80CO MÖNCHEN f»S 27239 i 5 HITACHI, LTD. DA-5458 26. Mai 1977 Laser-Zonenschmelzverfahrnn und -vorrichtung Patentansprüche

1. Laser-Zonenschmelzverfahren, bei dem das Zonenschmelzen einer Dünnschicht durch Bestrahlen der Dünnschicht mit einem Laserstrahl durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die IXinnschicht mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, während der Laserstrahl in einer Richtung hin- und herschwingend abgelenkt v/ird, die im wesentlichen senkrecht auf der Vorschubrichtung der Schmelzzone steht, und dass der mit dem Laserstrahl zu bestrahlende Bereich von einem Ende zum anderen Ende der Dünnschicht bewegt wird.

2. Laser-Zonenschmelzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfrequenz des Laserstrahls grosser als 1 Hz ist.

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3· Laser-Zonenschraelzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwankungen der Laserstrahlleistung dadurch auf unter 1 % gedrückt werden.

dass die Temperatur der Schmelzzone in der Dünnschicht gemessen wird, eine der Temperatur entsprechende Spannung in einer elektronischen Schaltung gespeichert wird, diese Spannung mit einer vorgegebenen Bezugsspannung verglichen wird und die Spannungsdifferenz zur Regelung der Laser-Versorgungnquellc dem Leistungsregler eines Lasergenerators rückgeführt wird.

4. Laser-Zonenschmelzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht ein Halbleiter ist.

t>. Lasor-Zonenschmelzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter InSb oder Ga_v In,, Sb ist.

6. Laser-Zonenschmelzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht 100 Ä bis 100 um dick ist.

7· Laser-Zonenschmelzvorrichtung, gekennzeichnet durch eine als geschlossener Behälter verwendete Kammer (4) mit Halterungseinrichtungen (31) zum Haltern einer dem Zonenschmelzverfahren zu unterziehenden Dünnschicht (26, 30), eine Laser-Lichtquelle (2, 21), die einen Laserstrahl erzeugt, mit dem die Dünnschicht (26, 30) bestrahlt wird, eine Laser-Versorgungsquelle (1) zum Betreiben der Laser-Lichtquelle (2, 21), einen die Laser-Versorgungsquelle (1) steuernden Leistungsregler (7)» einen optischen Weg, über den der Lichtstrahl von der Laser-Lichtquelle (2, 21) zur Dünnschicht (26, 30) gelenkt wird, eine Einrichtung (24, 52), die den Laserstrahl mit einer über 1 Hz liegenden Frequenz in einer Richtung (51) hin- und herschwenkend ablenkt, die im wesentlichen senkrecht auf der Vorschubrichtung (50)

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der Schmelzzone der Dünnschicht (26, 30) steht, eine Vorschubeinrichtung (36)» die die Dünnschicht (26, 30) oder den Laserstrahl in der Richtung ($0) verschiebt, die im wesentlichen senkrecht auf der Ablenkrichtung (5Ό des Laserstrahls steht, sowie Einrichtungen (5i 41; 6), die die Schwankungen der Ausgangsleistung der Laser-Lichtquolle (2, 21) unter 1 % drückt.

8. Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach Anspruch 7·> dadurch gekennzeichnet, dass die die Schwankungen der Ausgangsleistung der Laser-Lichtquelle (2, 21) unter 1 % drückenden Einrichtungen (5i 41; 6) eine Temperatur-Messeinrichtunf:·: (5i 4-1), die die Temperatur der Schmolzzone in der Dünnschicht (26, 30) misst, eine Einrichtung, die eine der Temperatur entsprechende Spannung speichert, diese Spannung mit einer vorgegebenen Bezugsspannung vergleicht und die sich dabei ergebende Spannungsdifferenz bereitstellt, sowie eine Einrichtung (6) aufweist, die die Spannungsdifferenz zur Unterdrückung der Schwankungen der Strahlleistung dem Leistungsregler (7) rückführt.

9· Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Lichtquelle (2, 21) ein COo-Laser ist.

10. Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9» gekennzeichnet durch Einrichtungen, die den Laserstrahl in der Ablenkrichtung zu einer rechteckigen oder ellipsenförmigen Querschnittsforra vergrössern (Fig. 2).

11. Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im optischem Weg eine konvexe zylinderförmige Linse oder ein konkaver Zylinderspiegel (24) angeordnet ist (Fig. 2).

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12. Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strahl vergrössernden Einrichtungen einen konkaven sphärischen
Spiegel und eine Lichtblendenplatte aufweisen.

13· Laser-Zonenschmelzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Weg
zwei konvexe sphärische Linsen oder zwei konkave sphärische Spiegel (22, 23) zur Vergrösserung des Strahldurchmessers angeordnet sind (Fig. 2).

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