DE2723915B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Zonenschmelzen einer Dünnschicht - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Zonenschmelzen einer DünnschichtInfo
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zonen- w Eine solche ungleichmäßige Verteilung der Energiedich-
schmelzen einer Dünnschicht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 14 593 bekannt. Ein weiteres
Beispiel für das Zonenschmelzen einer auf einem Substrat angeordneten Halbleiterdünnschicht, beispielsweise
aus InSb, mittels Laserstrahlen ist in einem Aufsatz von R. T. G r a d a s s i, in »ALTA FREQUEN-ZA«
Nr. 7, Band XLIV, 1975, Seiten 350 bis beschrieben.
te innerhalb des Strahlquerschnitts führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Schmelzzone
während des Zonenschmelzvorgangs. Dies verursacht direkt einen unerwünschten Temperaturgradienten
dT/dy in der senkrecht auf der Zonenschmelzrichtung (x-Richtung) stehenden Richtung (der /-Richtung).
In diesen Fällen hat sich herausgestellt, daß sich während und nach dem Zonenschmelzen eine Dickenschwankung
bzw. Dickenriffelung mit einer Oberflä-60 chenrauhigkeit in der Größe von 0,1 bis 10 μπι auf der
Halbleiterdünnschicht bildet.
Mit einem solchen Zonenschmelzverfahren werden Der zweite Nachteil einer herkömmlichen Dünn-
die Körnungen bzw. Strukturen der Kristallite nor- schicht-Laserzonenvorrichtung, bei dem ein Laser
malerweise groß bzw. grob, und dabei werden auch verwendet wird, liegt darin, daß rauhe Oberflächen, d. h.
Fremdatome und Verunreinigungen entfernt, so daß 65 Welligkeiten oder Falten von mehr als 0,1 μπι nicht
man eine Dünnschicht mit Eigenschaften erhalten kann, vermieden werden können. Die Bildung derartiger
die denen von Einkristallen entsprechen. Wenn dabei Welligkeiten oder Falten auf der Oberfläche von
Infrarotstrahlen, die von einem CO2-Laser oder einer Dünnschichten im Verlauf des Zonenschmelzvoreanes
führt auf Grund der ungleichmäßigen Wärmeleitung (beim Aufheizen und beim Kühlen) zu örtlichen
Inhomogenitäten hinsichtlich der Temperatur, so daß d77d/ Φ 0 wird. Diese Tatsache führt zu nicht-stöchiometrtschen
Oberschußatomen der chemischen Bestandteile oder Komponenten, zu Kristallgitter-Versetzungen
und -Verschiebungen, zu Kristall(ftinkt)-fehlern, zu
Einschlüssen und sonstigen Fehlern innerhalb des Dünnschichtkristalls.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Temperaturschwankungen sowie räumliche Inhomogenitäten
in der Schmelzzone der Dünnschicht während des Zonenschmelzens zu verringern und dadurch
iff Dünnschicht mit hoher Qualität und mit guten
elektrischen Eigenschaften zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren und die Vorrichtung
gemäß Anspruch 4 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in den Unterinsprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der /-Richtung
der Schmelzzone in der Dünnschicht dadurch verhindert werden, daß der Laserstrahl in Richtung der
Breite der Dünnschicht bzw. /-Richtung hin- und herschwingend abgelenkt wird, wodurch der Temperaturgradient
dT/dy in der /-Richtung nahezu zu Null gemacht werden kann.
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 /-Richtung kleiner als 1 Hz ist, kann eine ungleichmäßige
Temperaturverteilung in der/-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. Tatsächlich kann die
Frequenz bis zu einer Größenordnung von 1000 Hz erhöht werden; jedoch ist keine besondere Wirkung zu
erwarten, wenn die Frequenz über einen bestimmten Wert erhöht wird. Das Ablenkungszentrum liegt
natürlich etwa in der Mitte der Dünnschichlbreite in der /-Richtung.
Obgleich die Ausgangsleistung des Laserstrahls, die zum Schmelzen des vorliegenden Materials erforderlich
ist, von dem Material und den Abmessungen der Dünnschicht, dem Material und den Abmessungen eines
Substrats, auf dem die Dünnschicht ausgebildet ist, und anderen thermischen Umgebungsbedingungen abhängt,
so reicht doch bei einer InSb-Dünnschicht eine auf die Dünnschicht auffallende Leistung von mehr als 1 W,
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 CCVLasers verwendet, weil der
CO2-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 geeignetsten.
Jedoch kann auch ein einen, kleinen kreisförmigen Querschnitt aufweisender Laserstrcthl verwendet werden,
der direkt von einem Laser abgegeben wird. Zum Ändern der Querschnittsform des Laserstrahls können
beispielsweise konvexe Zylinderlinsen oder konkave
■j Zylinderspiegel verwendet werden. Es kann aber auch
ein konkaver sphärischer Spiegel und eine herkömmliche Blende bzw. ein herkömmlicher Schlitz gemeinsam
verwendet werden. Vorzugsweise ist die Länge des eindimensionalen, langgestreckten Querschnitts des
lu Laserstrahls in der /-Richtung so groß, daß der
Laserstrahl die Länge der dem Zonenschmelzverfahren unterliegenden Dünnschicht in der /-Richtung in
ausreichender Weise überdeckt Der vom Laser 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
2(i Querschnittsform des Laserstrahls in eine rechteckige
oder Ellipsenform gebracht, wie dies bereits erwähnt wurde. Bei diesen Formänderungen ist die querschnittsmäßige
Strahlform des Lasers frei wählbar und nicht auf irgendeine Querschnittsform beschränkt. Darüber hin-
r> aus k;inn als Strahlaufweiter eine Anordnung gewählt
werden, die aus vier jeweils seitlich miteinander in Verbindung stehenden Spiegeln besteht Die Strahlbreite
in der ^-Richtung sollte bei dem in seinem Durchmesser vergrößerten Laserstrahl etwa zwifclien
κι 0,3 min und etwa "5 der Länge des Dünnfilms in der
x-Richtung liegen. Die untere Grenze wird durch die Wellenlänge des Laserstrahls festgelegt und beträgt bei
einem CCh-Laser oder einem entsprechenden Laser etwa 0,3 mm. Es sei jedoch erwähnt, daß der zuvor
r> genannte Wert in der Praxis ein Grenzwert ist. Es ist
jedoch nicht vorteilhaft, die Breite des Laserstrahls größer als '/5 der Länge der Dünnschicht zu machen,
weil der Wirkungsgrad bei der Zonenreinigung verringert wird. Es genügt, den vergrößerten Laser-ίο
strahl in der /-Richtung so lang zu machen, daß diese Länge etwa gleich der Breite des Dünnfilms in der
/-Richtung ist, wie dies bereits erwähnt wurde.
Wenn irgendein auf dem Markt erhältliches Lasergerät verwendet wird und der Laserstrahl nicht aufgewei-
i) tet wrd, besitzt der Strahl einen Kreisquerschnitt mit
beispielsweise einem Durchmesser von 3 bis 8 mm. In diesem Falle kann eine Ablenkfrequenz in der
/-Richtung von mehr als 1 Hz verwendet werden, um die al gemeinen Forderungen zu erfüllen; es ist jedoch
ίο vorteilhafter, Frequenzen über 10 Hz zu verwenden.
Die Spitzen-zu-Spitzen-Amplitude der Ablenkung des Laserstrahls in der /-Richtung kann auf die Breite
der Dünnschicht in der/-Richtung eingestellt werden. In
diesem Falle tastet das Zentrum des Strahls oder der
r>r> Strahlteil mit hoher Intensität den Dünnfilm in der
/-Richtung von einem Ende zum anderen Ende ab.
Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, die Leistungsschwankungen des Laserstrahls unter 1% zu
drücken. Wenn die Leistungsschwankungen über 1%
«) liegen, treten unerwünschte Temperaturschwankungen
d77d* auf und führen zu Dickenschwankungen des Films und zu Kristallfehlern, da die Temperatur Tin der
Schmelzzone der Dünnschicht sich in der Richtung des Zone.1 Schmelzvorgangs (der ϊ-Richtung) zeitlich ändert.
Dies tritt auch dann auf, wenn die Ablenkfrequenz des Laserstrahls in der/-Richtung kleiner als 1 Hz ist.
Durch die Regelung der Laser-Ausgangsleistung werden also Temperaturschwankuneen in der Schmelz-
zone der Dünnschicht vermieden. Zur Temperaturmessung können optische Einrichtungen, beispielsweise ein
Infrarot-Mikroskop oder eine Infrarot-Fernsehkamera verwendet werden. Darüber hinaus 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 Ar-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 Ar-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
lOOÄ ist. Wenn die Dünnschichtstärke jedoch über
etwa 100 μηι hinausgeht, können Falten 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 als auch
die Oberflächenspannung, die durch die geringe Benetzung zwischen der Substratoberfläche und dem
geschmolzenen Bereich verursacht wird, die Tendenz der Agglomerierung der Schicht vergrößern. Bei einer
Schicht mit einer Dicke über 100 μπι 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 μπι 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.
Die Kammer, in der die dem Zonenschmelzverfahren zu unterziehende Dünnschicht untergebracht ist, soll so
ausgebildet sein, daß die Luft in entsprechender Weise wie bei den herkömmlichen Zonenschmelzgeräten
abgesaugt werden kann. Darüber hinaus 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 hier beschriebenen Verfahren hergestellte Dünnschicht weist im Vergleich zu den durch
herkömmliche Verfahren hergestellten 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 Überschußatome \n
den chemischen Bestandteilen und wesentlich weniger Kristallfehler in der Dünnschicht auf.
Daher werden im Falle von Halbleiter-Dünnschichtcn die Elektronenbeweglichkeit μΗ und
der Hall-Koeffizient Rh wesentlich größer,
ii) Die entsprechenden, unter i) beschriebenen Effekte und Auswirkungen können durch Begrenzen der Leistungsschwankungen des Laserstrahls unter 1 % erreicht werden.
ii) Die entsprechenden, unter i) beschriebenen Effekte und Auswirkungen können durch Begrenzen der Leistungsschwankungen des Laserstrahls unter 1 % erreicht werden.
iii) Bei Halbleiter-Dünnschichlen ist die Elektronenbeweglichkeit μΗ größer, so daß das Rauschen in
einem Element, bei dem die Halbleiter-Dünnschicht verwendet wird, erheblich geringer ist.
iv) Eine weitere Verbesserung des Hall-Koeffizienten Rn bei einer bereits hergestellten Halbleiter-Dünnschicht kann dadurch wirkungsvoll erreicht werden, daß die 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.
iv) Eine weitere Verbesserung des Hall-Koeffizienten Rn bei einer bereits hergestellten Halbleiter-Dünnschicht kann dadurch wirkungsvoll erreicht werden, daß die 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 j'-Richtung abgelenkt
wird, kann der Zonenschmelzvorgang 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 μΐη.
vli) Als Wärmequelle für den Schmelzvorgang wird eine Laser-Lichtquelle verwendet, so daß keine Verunreinigung der Dünnschicht auf Grund der Wärmequelle auftritt.
vli) Als Wärmequelle für den Schmelzvorgang wird eine Laser-Lichtquelle verwendet, so daß keine Verunreinigung der Dünnschicht auf Grund der Wärmequelle auftritt.
viii) Da ein Laserstrahl benutzt wird, kann der Zonenschmelzvorgang in der Dünnschicht mit
einem sehr großen Temperaturgradienten durchgeführt werden,
ix) Während des Zonenschmelzvorgangs kann ir-
ix) Während des Zonenschmelzvorgangs kann ir-
gendeine Gasatmosphäre verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches das Grundkonzept einer Laser-Dünnschicht-Zonenschmelzvorrichtung wiedergibt,
Fig.2 eine schematische Darstellung, die der Erläuterung des Laserstrahl-Verlaufes gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient, und
F i g. 3 einen Querschnitt durch eine Zonenschmelzkammer für die Laser-Zonenschmelzvorrichtung gemäß
einem Ausführungsbeispiel.
Gemäß F i g. 1 wird als Lasergerät ein COrLaser verwendet, der eine Nennausgangsleistung von 4OW
besitzt Der CO2-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
CXVLaser bezeichnet wird, eine Energiequelle 1 für das
Lasergerät und Leistungs-Steuereinrichtung bzw. einen Leistungsregler 7. Das vom CO2-Laser 2 abgegebene
Licht wird mittels eines Strahlabtasters 3 nach Links und rechts hin und herabgelenkt, der einen Spiegel zum
Schwingen bringt, und das Laserlicht 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 F.nergiequelle 1 wird mit diesem Signal gesteuert bzw. geregelt und das vom CO2-Laser 2
abgegebene Licht wird so eingestellt, daß Temperaturschwankungen in der Schmelzzone der Dünnschichtprobe
ausgeglichen bzw. verhindert werden.
Gemäß Fig.3 besteht die Zonenschmelzkammer 4
im wesentlichen aus einer Kammer mit einer Halterungseinrichtung 31 zum Halten des Probenstückes. 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 einen
Faltenbalg bzw. ein elastisches Rohr in Verbindung, weil die Kammer selbst beweglich sein soll. Das Probenstück
30 kann durch Verschieben der Kammer selbst oder durch Verschieben des Probenstückes in der Kammer
verschoben werden, wie dies 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 wird 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 CO2-Lasers 10,6 μπι beträgt. Das Fenster 34 besteht
dagegen aus Quarz. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Fenster 34 direkt über dem
Probenstück und das Fenster 33 ist 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 Heizeinrichtung37 und ein Kühlrohr 38.
Nachfolgend soll der Lichtweg des Laserstrahls einschließlich des Strahlabtasters des Zonenschmelzgerätes
anhand von Fi g. 2 im einzelnen erläutert werdea Der vom CO2-Laser 21 abgegebene Lichtstrahl besitzt
einen Durchmesser von 8 mm und wird mit einer Spiegelkombination aus konkaven sphärischen Spiegeln
22 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 Licht- &5
strahl ein in seinem Durchmesser langgestreckter Lichtstrahl etwa in einer Rechteckform mit Seitenlängen
von 2 χ 30 mm. In F i g. 2 ist der Querschnitt des
Laserstrahls — gesehen von einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung — durch die mit den
Bezugszeichen 27, 28 und 29 versehenen Querschnitte dargestellt. Ein Pfeil 50 deutet die Verschiebungsrichtung
des Probenstückes an, welches dem Zonenschmelzverfahren unterworfen wird.
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 spärischen 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 inm geeignet Die Lichtenergiedichte ist jedoch in der Mitte hoch und am
Rande gering. Wenn 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 beschriebenen Weise aufgebauten
Strahlabtaster konnte eine gleichförmige Temperaturverteilung in der Strahlablenklichtung (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 um/Sek. einstellbar.
Die Temperaturmessung und die Rückkopplung zum Leistungsregler wird mit dem nachfolgend beschriebenen
Verfahren durchgeführt Die höchste Temperatur in
der Schmelzzone wird zunächst beispielsweise mit einer Infrarot-Fernsehkamera 41 festgestellt, wobei die
höchste Temperatur der höchsten Ausgangsspannung des Fernseh-Videosignals entspricht Die demTempera-
turpegel 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 F i g. 1 ist dazu vorgesehen,
um das Lasergerät und die elektronische Schaltung für die Temperaturmessung impedanzmäßig anzupassen
und als Trennverstärker kann irgendein herkömmlicher Trennverstärker verwendet werden. Die Einregelzeit
bzw. Ansprechzeit 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 obigen Laser-Dünnschicht-Zonenschmelzgerät lassen sich folgende Vorteile erzielen:
i) Die relativen Temperaturschwankungen im Schmelzbereich der Dünnschicht können auf
Grund der Rückkopplung der elektrischen Signale, die der Temperaturschwankung entsprechen, besser
als 1 % ausgeregelt werden, ii) Die relativen Temperaturschwankungen 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 Strahlabtaster besser als 1% ausgeregelt werden, und dadurch läßt sich in der
Schmelzzone eine gleichförmige Temperaturverteilung erzielen.
Nachfolgend sollen die Ergebnisse eines Zonenschmelzverfahrens
bei dem Verbindungshalbleiter InSb beschrieben werden, wenn die obige 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 μπι 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 Aluminiumisopropylat mit einer 0,8 μπι
dicken AlzOj-Glasschicht beschichtet wurde. In entsprechender
Weise wurde eine Dünnschicht verwendet, die dadurch hergestellt wurde, daß in einer Dicke von 6 μπι
InSb auf die Blauquarz- bzw. Saphirplatte von 30 mm χ 30 mm und dann darauf eine 0,1 μπι dicke
In2OrSchicht aufgebracht wurde. Beim Zonenschmelzvorgang
betrug die Verschiebegeschwindigkeit des
Probenstücks 5 μπι/Sek., die Zonenbreite 0,8 mm und
die Ablenkfrequenz des Laserstrahls 10 Hz. Darüber hinaus wurde der Zonenschmelzvorgang mit Ablenkfrequenzen
von 1,5 und 30 Hz durchgeführt, es ergaben sich jedoch praktisch 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
to InSb-Schicht ebener als 0,1 μηι/30 mm war. Für die
elektrische Messung wurden InSb-Schichten einer Hall-Element-Form durch Entfernen der Al2O3- oder
In2O3-Schicht auf der InSb-Schicht durch Ätzen oder
durch mechanisches Schleifen und nachfolgendes Photoätzen der InSb-Schicht ausgebildet Die Ergebnisse
der Hall-Effektmessung zeigten, daß Hall-Koeffizienten Rh und die Elektronenbeweglichkeit μ Η bei
Zimmertemperatur 350 cnWC bzw. 5500 cm2/V Sek für
eine 0,2 μπι dicke InSb-Schicht und 330 cmVC bzw.
69 300 cm2/Sek. für eine 6 μπι dicke InSb-Schicht
betrug. Das heißt, 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
78 000 cm2/V Sek. beträgt, und der Wert 69 300 cm2/V Sek. kommt diesem Wert nahe. In der
einschlägigen Literatur wurde angegeben, daß der Wert für die Elektronenbeweglichkeit/iWbei einer Dicke von
0,2 μπι zwischen >/io bis mehreren Zehntel des Wertes
des Einkristall liegt, so daß der Wert von 5500 cm2/ 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 μπι dicken InSb-Schicht
unterhalb der ln2O3-Schicht bis zu ±1,5 μπι
groß. Die Messungen ergaben für RH den Wert
330 cmVC und für μ H den Wert 62 500 cmVV Sek., und
die Schichtgüte war etwas schlechter als im zuvor beschriebenen Falle. Zum Vergleich betrug die Elektronenbeweglichkeit
μ//der 6 μπι dicken InSb-Schicht, die
mit einem Zonenschmelzgerät, bei dem das herkömmli-
ehe Heizdrahtverfahren angewandt wird, hergestellt wurde, etwa 57 000 bis 61 000 cm2/V Sek.
Die vorliegende Erfindung wurde beispielsweise anhand des InSb-Dünnschicht-Kristalls beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch im
so Zusammenhang mit Si und Ga1 Ini _, Sb verwendbar, die
bessere elektrische Eigenschaften besitzen. Darüber hinaus 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zum Zonenschmelzen einer Dünnschicht, wobei ein die Breite der Dünnschicht
überstreichender Laserstrahl von einem Ende zum anderen Ende der Dünnschicht in dt.-en Längsrichtung
bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über die Breite der
Dünnschicht hin- und herschwingend bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl mit einer Frequenz größer als 1 Hz abgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
entsprechenden Einrichtung ausgesendet werden,, verwendet
werden, kann das Zonenschmelzen einer InSb-Dünnschicht sogar mit hohen Temperaturgradienten
zwischen 400°C/cm und 2000° C/cm durchgeführt
werden.
Das Zonenschmelzen mit einem hohen Temperaturgradienten dT/dx in der Richtung, in der sich die
Schmelzzone bewegt (d. h. in der x-Ricbtung), führt zu
einer wirkungsvollen Verfeinerung bzw. Reinigung des
lu 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 Halbleiterdünnschichten ohne Kristallfehler auf
gekennzeichnet, daß eine Dünnschicht von 100 Ä bis 15 einfache Weise erzeugt werden können.
100 μπι bestrahlt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit in einem
geschlossenen Behälter angeordneten Einriehtun-
Bei Gaslasern, bei denen Moleküle, beispielsweise CO2, CO, H2O oder HCN verwendet werden und die
normalerweise eine Versorgungsquelle für eine hohe Spannung erfordern, liegen die Schwankungen der
gen zum Haltern der Dünnschicht, einer Laser- 20 Laser-Ausgangsleistung P in einem Bereich von 1 bis
Lichtquelle, einer Laser-Versorgungsquelle, einem 5% bei einer Frequenz von mehreren Hertz bis einigen
die Laser-Versorgungsquelle steuernden Leistungs- hundert Hertz. Infolgedessen schwankt die Temperatur
regler, einer Optik für den Laser und einer in der Schmelzzone während des Zonenschmelzvor-Vorschubeinrichtung,
gekennzeichnet durch eine gangs in einem Bereich von etwa 5 bis 25° C bei einer Einrichtung (24, 52), die den Laserstrahl mit einer 25 Temperatur von 525°C (dem Schmelzpunkt des
über 1 Hz liegenden Frequenz in einer Richtung (51) InSb-Kristalls) und in einem Bereich von etwa 14 bis
hin- und herschwenkend ablenkt, die im wesentli- 70° C bei einer Temperatur von 1410° C (dem Schmelzchen
senkrecht auf der Vorschubrichtung (50) der punkt des Si-Kristalls). Dies wird durch die Tatsache
Schmelzzone der Dünnschicht (26, 30) steht, sowie noch verstärkt, daß die Wärmekapazität und das
einer Temperaturmeßeinrichtung (5), die über einen io Volumen, das bei dem Dünnschichthalbleiter geschmol-Trennverstärker
mit dem Leistungsregler (7) ver- zen werden soll, im Gegensatz zum Zonenschmelzen
bundenist. von großen Halbleitern äußerst klein (beispielsweise
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- 100 μηι χ 10 mm χ 1 mm) ist. Ein solch kleines VoIuzeichnet,
daß in der Optik eine konvexe zylinderför- men und die damit verbundene geringe Wärmekapazimige
Linse oder ein konkaver Zylinderspiegel (24) 35 tat führt daher unmittelbar zu Temperaturschwankunvorgesehen
ist. gen der Schmelzzone.
Ein erster Nachteil einer herkömmlichen Dünnschicht-Zonenschmelzvorrichtung
mit einem Laser besteht darin, daß Kristallfehler und nicht-stöchiometrisehe
Überschußatome in Verbindungshalbleitern auf Grund der zuvor beschriebenen Schwankungen der
Temperatur Γ und auch auf Grund der unerwünschten Änderung des Temperaturgradienten dT/dx in der
Zonenschmelzrichtung (der ^-Richtung) erzeugt wer-■15 den.
Darüber hinaus weist ein Laserstrahl mit einem Querschnitt von beispielsweise 8 mm Breite und 5 mm
Länge, der auf die Dünnschichtoberfläche auffällt, eine höhere Energiedichte in der Mitte als am Rande auf.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Optik ein konkaver sphärischer
Spiegel und eine Lichtblendenplatte vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Optik zwei konvexe sphärische
Linsen oder zwei konkave sphärische Spiegel (22, 23) vorgesehen sind.
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| DE19702109C2 (de) * | 1996-03-04 | 2001-08-09 | Mitsubishi Electric Corp | Verfahren zur Erzeugung eines Bauteils aus rekristallisiertem Material, dazugehöriges Heizgerät und dessen Verwendung |
Also Published As
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| GB1575440A (en) | 1980-09-24 |
| US4177372A (en) | 1979-12-04 |
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| JPS52143755A (en) | 1977-11-30 |
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