DE29815601U1 - Optisches Bauelement mit kristallisierter keramischer Dünnschicht - Google Patents
Optisches Bauelement mit kristallisierter keramischer DünnschichtInfo
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Description
PT1.1557aGbm/ho 1 17.12.1998
Beschreibung
Optisches Bauelement mit kristallisierter keramischer
Dünnschicht
Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Dünnschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektrokeramische Materialien eröffnen eine Fülle von Funktionen, die die traditionellen Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Si oder GaAs nicht bieten. Bei solchen Funktionen elektrokeramischer Materialien kann es sich um ferroelektrische Polarisation, hohe Kapazitätsdichten, magnetoresistive Eigenschaften, piezoelektrische Aktorfunktionen, piezoelektrische Sensorfunktionen, Ionenleitung, Supraleitung oder elektrooptische Aktivität handeln. Die Integration solcher elektrokeramischen Funktionen auf integrierten Halbleiterschaltungen ist wünschenswert, da auf diesem Wege eine Kombination der Funktionen mit der Mikroelektronik und Mikromechanik erzielt werden könnte. Als Beispiel sind nichtflüchtige, ferroelektrische Speicher (sogenannte FeRAM) vorstellbar, die auf der Integration ferroelektrischer Keramiken auf Si-CMOS-Schaltungen beruhen.
Die Erzeugung qualitativ hochwertiger, dichter Keramikschichten erfordert in der Regel Temperaturen oberhalb von 500 0C. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein, da einerseits unter der Keramikschicht liegende Schichten oder Bauelemente wie zum Beispiel Transistoren nur mit großem Aufwand vor der Oxidation
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durch die erhöhte Sauerstoffdiffusionsrate geschützt werden können. Andererseits können tiefer liegende Schichten und Bauelemente durch eine Diffusion von Fremdelementen aus der Keramik degradiert werden. Schließlich muß die übliche Aluminium-Metallisierung erst nach der Keramikschicht aufgebracht werden, da diese Metallisierung nur bis zu einer Temperatur von 400 0C stabil bleibt. Aufgrund dieser Einschränkung ist es nicht möglich, fertige integrierte Schaltungen durch keramische Funktionen abschließend zu ergänzen.
Einen Weg, die Temperaturbelastung des Substrates (integrierte Halbleiterschaltung) gering zu halten und auf einen kurzen Zeitraum zu beschränken, stellt die Laser-Annealing-Technik dar. Ein fokussierter, punkt- oder strichfokusförmiger Laserstrahl ausreichender Leistung wird mit kontrollierter Vorschubgeschwindigkeit über die "grüne" Keramikschicht bewegt (Scanning), um eine Kristallisation und Verdichtung der Schicht zu erreichen.
Als Stand der Technik sind zwei Lasertypen für Annealingschritte und für die Kristallisation keramischer Dünnschichten beschrieben.
Einerseits finden nach U. Varshney et al. , "CC>2-laser patterning of plasma-deposited high Tc superconducting thick films", in J. Appl. Phys. 66/3 (1989) 1392 kontinuierlich arbeitende IR-Laser, wie zum Beispiel CO2-Hochleistungslaser, Einsatz zur Strukturierung von Hochtemperatursupraleiter-Dickschichten.
Andererseits sind gepulste UV-Laser, insbesondere Eximer-Laser mit hohen Pulsleistungen, bekannt. Es ist aus M. Miyao, M. Tamura, and T. Tokuyama, "Selective annealing of ion-implanted amorphous layers by Nd3+-YAG laser irradiation", Appl. Phys. Lett. 33/8 (1978) 828
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bekannt, mit Hilfe von Nd-YAG-Lasern die nach Implantationsprozessen zerstörte Oberfläche amorpher Si-Schichten auszuheilen und die implantierten Phosphoratome elektrisch zu aktivieren. Zudem ist es aus S. Otani, M. Kimura, N. Sasaki, "Laser annealing of SrTiO3 thin films deposited directly on Si substrates at low temperature", Appl. Phys. Lett. 63/14 (1993) 1889 oder X. M. Lu et al., "Laser-induced phase transformation from amorphous to perovskite in PbZrO,44TiO,5603 films with the substrate at room temperature", Appl. Phys. Lett. 65/16 (1994) 2015 oder X. M. Lu et al., "Pulsed eximer (KrF) laser induced crystallization of PbZrO,44TiO,5603 amorphous films", Appl. Phys. Lett. 66/19 (1995) 2481 oder Patent Fujitsu, L16, bekannt, amorphe, elektrokeramische Dünnschichten, beispielsweise aus SrTiO3, PbZrO, 44TiO, 5603 und SrTii_xBixO3 zu kristallisieren.
Schließlich sind komplexere Prozesse als Stand der Technik in Mantese et al., "Selective laser pyrolysis of metalorganics as a method of forming patterned thinfilm superconductors", Appl. Phys. Lett. 53/14 (1988) 1335 beschrieben. Dabei wurde ohne Erfolg versucht, die gewünschte keramische Dünnschicht aus metallorganischen Precursoren mit Hilfe eines Lasers in situ herzustellen. Ein ähnlicher Prozeß wurde für die Herstellung ferroelektrischer Dünnschichten für den Einsatz in FNVRAM's veröffentlicht. Die Auswahl der Typen wird offenkundig von der Verfügbarkeit hinreichend hoher Laserleistungsdichten bestimmt.
Eine bedeutsame Randbedingung ergibt sich aufgrund des Absorptionsspektrums der keramischen Dünnschichten. Notwendige Voraussetzung für das optische Annealing ist die Absorption der verwendeten Strahlung in dem eingesetzten Dünnschichtmaterial. Zahlreiche Dünnschichtma-
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terialien, wie zum Beispiel Erdalkalititanate, absorbieren lediglich im fernen infraroten (IR) und im ultravioletten (UV) -Bereich, während sie im sichtbaren und nahen IR-Bereich vollständig transparent sind und in diesen Wellenlängenbereich nicht aufgewärmt werden können. Aus diesem Grunde müssen Strahlungsquellen im fernen Infrarot oder im UV-Bereich eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die Kristallisation von Elektrokeramiken aus metallorganischen Solen oder Gelen durch die unterschiedliche Absorption der organischen Komponenten im ,nassen' Film und der Keramik zusätzlich erschwert. Die chemischen Reaktionen müssen durch andere Wellenlängen induziert werden als die Kristallisationsprozesse amorpher Schichten, d.h. mehrere Laserwellenlängen müssen verfügbar sein. Eine Alternative ist der Zusatz von Chromophoren zu den ,nassen' Schichten, mit deren Hilfe der Absorptionsbereich der Schicht verschoben werden kann. Ein solches Verfahren ist aufwendig und birgt zudem die Gefahr von Verunreinigungen in der Schicht.
Im einzelnen weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bildung solcher kristallisierter Schichten folgende Nachteile auf:
Die große Wellenlänge verwendeter CO2~Laser führt zu einer unerwünscht großen Eindringtiefe des Laserstrahls. Aufgrund des Pulsbetriebs des Excimerlasers mit extrem kurzer Pulsdauer unterhalb von 100 ns und mit der beschränkten Wiederholrate bis zu 100 Hz - und damit verbundenen, großen Zeitabschnitten zwischen den einzelnen Pulsen, - kühlt zudem der bestrahlte Oberflächenbereich nach einem Puls nahezu vollständig ab, bevor der nächste Puls folgt. Dadurch ist eine kontinuierliche, durch die Vorschubgeschwindigkeit steuerbare
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Eindringtiefe des Temperaturfeldes nicht erreichbar. Darüber hinaus ist die durch die Fokussierung steuerbare Energiedichte beim Einsatz des Excimerlasers begrenzt, da man unter der Ablationsschwelle des Materials bleiben muß. In beiden Fällen nachteilig sind die hohen Investitionskosten für die eingesetzten Leistungslaser. Schließlich ist die gezielte Steuerung chemischer Reaktionen beim Herstellungsverfahren kaum möglich.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein optisches Bauelement mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Schichten, insbesondere Dünnschichten, bereitzustellen, bei dem diese Nachteile vermieden werden.
Insbesondere soll die Kristallisation ohne thermische Beeinflussung der Unterlage(n) auf der diese Schicht(en) abgeschieden wurde(n), erreicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1.
Es wurde erkannt, zur Lösung der Aufgabe für die Herstellung der anspruchsgemäßen Schichten eine leistungsfähige Lichtquelle (Lampe) mit einem hohen Strahlungsanteil im UV-Bereich einzusetzen. Die Strahlung sollte durch geeignete Linsen (Material: z. B. Quarzglas) auf einen hinreichend kleinen Beleuchtungsfleck fokussiert werden. Zur Oberflächenkristallisation sollte dieser Beleuchtungsfleck über das vorbeschichtete Substrat gefahren ("gerastert") werden können. Die Leistungsdichte im Beleuchtungsfleck und die Vorschubgeschwindigkeit werden dabei der erwünschten maximalen Oberflächentemperatur und der gewünschten Eindringtiefe angepaßt.
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Die Herstellung der anspruchsgemäßen Schichten erfolgt durch eine kontinuierliche Einstrahlung von UV-Licht hinreichender Leistungsdichte. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Wellenlänge in einem möglichst großen Wellenlängenbereich (mit hinreichender Leistungsdichte) zu wählen, um eine ausreichende Absorption während der unterschiedlichen Phasen der Schichtbildung, die mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen bzw. induzierten chemischen Reaktionen gekoppelt ist, zu gewährleisten.
Durch Einsatz des Verfahrens wird eine erhebliche Kosteneinsparung aufgrund der Vermeidung des Einsatzes von Lasern erzielt.
Das erfindungsgemäße optische Bauelement weist eine oder mehrerer kristallisierter keramischer Schichten, insbesondere Dünnschichten auf, dadurch hergestellt daß wenigstens eine keramische Schicht auf einer geeigneten Unterlage gebildet wird und mit UV-Licht kontinuierlich bestrahlt wird.
Die anspruchsgemäßen kristallisierten keramischen Schichten können auch auf folgende vorteilhafte Weise hergestellt werden:
- indem eine Energiedichte des UV-Lichtes vorteilhaft derart gewählt wird, daß die Eindringtiefe des Lichtes die Schichtdicke der keramischen Schicht nicht überschreitet, insbesondere die Eindringtiefe des Lichtes der Schichtdicke der keramischen Schicht entspricht.
- indem vorteilhaft eine Lampe mit einem hohen Anteil UV-Licht, insbesondere eine Hg-, Xe- oder Hg(Xe)-Lampe, gewählt wird.
- indem das UV-Licht vorteilhaft mit Hilfe von Mitteln zur optischen Fokussierung auf die Oberfläche der ke-
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ho - \\PVA05»\Da«n *T$\Penners\winword\Sis{\VA£sSEN\{l 557aGbJi-dpJ.docJ Jl 7.1 J.98 J
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ramischen Schicht gerichtet wird. Hierzu können insbesondere aus Quarzglas gebildete Linsen Einsatz finden.
- indem das UV-Licht vorteilhaft über die Oberfläche
der keramischen Schicht bewegt wird. Dies kann durch eine Relativbewegung der Lichtquelle zur keramischen Schicht erfolgen.
- indem vorteilhaft ein oder mehrere Perowskite, insbesondere ferroelektrische oder dielektrische Perowskite, als Material zur Bildung der keramischen Schicht gewählt werden.
- indem vorteilhaft ein Perowskit des Typs ABO3 als Material für die keramische Schicht gewählt wird.
- indem vorteilhaft ein Perowskit des Typs ABO3 als Material für die keramische Schicht gewählt wird, wobei
als A ein Element aus der Klasse Ba, Sr, Ca oder Pb gewählt wird und wobei als B ein Element aus der Klasse Ti oder Zr gewählt wird.
- indem vorteilhaft ein Material oder mehrere Materialien der sogenannten Aurillius-Phase(&eegr;), insbesondere
SrBi2Ta2O9 oder SrBi2Nb2O9, als Material zur Bildung der keramischen Schicht gewählt wird.
- indem vorteilhaft die keramische Schicht auf der Oberfläche durch Abscheidung des keramischen Materials bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis zu 400 0C gebildet wird.
- indem vorteilhaft die keramische Schicht naßchemisch oder durch Sputtern oder mittels MOCVD gebildet wird.
- indem vorteilhaft als Unterlage ein Substrat, insbesondere ein Halbleiter-, Polymer-, Metall- oder Glassubstrat, gewählt wird. Ohne Einschränkung der Erfindung kann jedoch als Unterlage auch ein Bauelement wie zum Beispiel ein Transistor vorgesehen sein, auf deren Oberfläche die keramische Schicht gebildet wird. Das Verfahren ermöglicht dabei die Kristallisa-
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ho - WVA05J\Daten«PT$\Penners\W?nword\Sfis4wAtsSEN\il5S7aGbii-dp5.doci Jl7.lJ.98 J
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tion der keramischen Schicht ohne thermische Beeinflussung der als Bauelement ausgebildeten Unterlage.
- indem das UV-Licht vorteilhaft relativ zur Oberfläche der keramischen Schicht bewegt wird und zur Festlegung der gewünschten Eindringtiefe des Lichtes in die Schicht die Geschwindigkeit dieser Relativbewegung der gewählten Energiedichte des Lichtes angepaßt wird.
- indem als UV-Licht vorteilhaft Licht mit einer WeI-lenlänge oder mit einem Wellenlängenintervall im Wellenlängenbereich von 100 nm bis zu 400 nm gewählt wird.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: Parameterbereich von absorbierter Leistungsdichte vs. l/Pulsdauer für eine zur Kristallisation von z.B. BaTiC>3 erforderliche Oberflächentemperatur zwischen 8000C und 12000C;
Fig. 2: Als Stand der Technik bekanntes Anwendungsbeispiel mit CO2~Laserstrahl (Vorheizstrahl) und Nd:YAG-Laserstrahl (Annealingstrahl), wobei der Annealingstrahl ebenfalls zeilenweise gerastert
wird, aber nicht so schnell wie der Vorheizstrahl.
Ausführungsbeispiel
Auf einem Substrat wurde zunächst eine keramische Schicht aus SrBi2Ta2Og durch Deposition gebildet. Sodann wurde diese Schicht dem Licht einer im UV-Bereich kontinuierlich strahlenden Hg-Lampe ausgesetzt. Vor dieser
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Bestrahlung hatte die keramische Schicht eine Dichte von weniger als 50 % und war zunächst nur nanokristallin strukturiert. Insbesondere wies die Schicht keine Kristallite auf mit einem Durchmesser oberhalb von 2 nm. Aufgrund der Bestrahlung mit dieser UV-Lampe konnte eine Dichte von mehr als 90 %, insbesondere oberhalb von 95% erreicht werden. Zudem wurde auf diese Weise eine Kristallisation der Schicht erreicht, wobei die einzelnen Kristallite je nach Wahl der Bestrahlungsparameter einen Durchmesser im Bereich von 30 nm bis zu 200 nm oder sogar mehr aufwiesen.
Um die Gesamtfläche der Schicht derart zu behandeln, wurde das Licht der Lampe am Ort der Schichtoberfläche als geometrisch geeigneter Fleck mit Hilfe einer fokussierenden Quarzglasoptik gebildet und dabei die Lampe zur Kristallisation der Schicht relativ zur Oberfläche der Schicht gescant. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung war so eingestellt, daß unter Berücksichtigung der gewählten Energiedichte der Lichtquelle die Eindringtiefe des UV-Lichtes der Schichtdicke der keramischen Schicht entsprach. Auf diese Weise konnte eine thermische Beaufschlagung des Substrats durch in dieses Substrat eindringendes UV-Licht verhindert werden.
In Ausbildung der Erfindung ist es vorstellbar, jeweils mehrere solcher keramischer Schichten zu bilden und sodann zur Kristallisation entweder die einzelnen Schichten nacheinander oder mehrere Schichten gleichzeitig mit kontinuierlichem UV-Licht zu behandeln.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, das Herstellungsverfahren der kristallinen keramischen Schichten um eine Vorheizung mit Licht zu erweitern. Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Erweiterung darin, daß ein
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Vorheizen der Schicht oder der Schichten vor dem eigentlichen Kristallisationsvorgang durch ein linienweises schnelles Scannen der Oberfläche vorgeschlagen wird. Ein solches Vorheizen kann zum Beispiel mit einem CC>2-Laser oder mit UV-Licht erfolgen.
Ein solches Vorheizen weist folgende Vorteile auf: l)Die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Substrattemperatur und der Kristallisationstemperatur in der Schicht (oberhalb 5000C) wird verringert.
2)Die zum Annealen erforderliche Flächenleistungsdichte (Fluence) wird verringert. Dadurch verringert sich auch der Temperaturgradient in der Schicht. 3)Thermisch induzierte Spannungen aufgrund des verringerten Temperaturgradienten werden vermindert.
4)Mechanische Spannungen in der Schicht oder in den Schichten werden durch Einsatz der Vorheizung auf zwei Arten vorteilhaft herabsetzt:
a) Lokal am Ort der Kristallisation durch den verringerten Temperaturgradienten,
b) Insgesamt gesehen über den Wafer. Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, daß dieser Effekt dadurch begründet ist, daß der Vorheizstrahl linienweise schnell über die Oberfläche gescannt wird.
Hierdurch werden Temperaturgradienten im wesentlichen nur senkrecht zur Scanrichtung erzeugt. In Scanrichtung ergibt sich im Grenzfall des sehr schnell scannenden Strahls bei sehr geringer Leistung und damit Aufheizung pro Scan ein verschwin-. dender Temperaturgradient in Scanrichtung. Demnach werden thermomechanische Spannungen auch nur senkrecht zur Scanrichtung in der Schicht induziert. Diese Spannungen können jedoch aufgrund der einachsigen thermischen Ausdehnung und damit möglichen Biegung des Wafers teilweise abgebaut werden. Ins-
ho-WVA053t)Daten4>T$\Pemiers\WmworSߣs&VAtsSEN\tl557aOblp-dpldoci J7.1^98 J
PT1.1557aGbm/ho 11 17.12.1998
gesamt ist somit eine Reduzierung der thermomechanischen Spannungen bei gleichbleibender Kristallisationstemperatur erzielbar.
5)Die Kristallisationstemperatur wird aufgrund der verringerten Temperaturdifferenz bei gleicher Heizrate
schneller erreicht.
6)Relativ kurze Dauer der Einwirkung der erhöhten Temperatur im Vergleich mit Dauer der Einwirkung bei Diffusionsofen oder Rapid Thermal Annealing (RTA). Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der thermischen Belastung des Substrates.
In Zusammenhang mit der im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahme einer Vorheizung wird als Stand der Technik und die darin enthaltenen Nachteile bei Einsatz einer Vorheizung folgendes ausgeführt:
Einen Weg, die Temperaturbelastung des Substrates (integrierte Halbleiterschaltung) gering zu halten und auf einen kurzen Zeitraum zu beschränken, stellt die Laser-Annealing-Technik dar. Ein fokussierter, punkt- oder strichförmiger Laserstrahl ausreichender Leistung wird kontrollierter Vorschubgeschwindigkeit über die "grüne" Keramikschicht bewegt (Scanning), um eine Kristallisation und Verdichtung der Schicht zu erreichen.
Durch Berechnungen des Temperaturfeldes im Schichtsystem während der Kristallisation mittels der Methode der Finiten Elemente wurde der Parameterbereich von Flächenleistungsdichte und Scangeschwindigkeit ermittelt, der für die Kristallisation von BaTiO3 geeignet ist. Die Pulsdauer und Flächenleistungsdichte, welche bei der Laser-Annealing-Technik angewendet werden, befinden sich im oberen Feld des Parameterbereiches bei kurzen Pulszeiten (entspricht hohen Scangeschwindigkeiten) und hohen Flächenleistungsdichten. Der mit derzeit
ho - WVA05»\Daten VTSWemeTsVir'mvotMSsiS.VAi.SSENStlSSliiGbii-dptdocl J7.lj.98 J I J
PT1.1557aGbm/ho 12 17.12.1998
verfügbaren UV-Lampen erreichbare Leistungsbereich befindet sich bei geringen Scangeschwindigkeiten und niedrigen Flächenleistungsdichten (Figur 1).
Weiterhin konnte durch Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente die Wärmeeindringtiefe von der Oberfläche der Schichten in das Schichtsystem (bzw. Substrat) hinein in Abhängigkeit von der Pulsdauer (bzw. Scangeschwindigkeit) ermittelt werden. Diese Berechnungen zeigen, daß der optimale Parameterbereich je nach Schichtdicke der zu kristallisierenden Schicht zwischen dem derzeit von Excimerlaser und UV-Lampen realisierbaren Bereich liegt.
Als Stand der Technik sind aus A. Ito, A. Machida, and M. Obara, Epitaxial Growth of BaTiO3 Optical Thin Films by Pulsed KrF Laser Deposition and in situ Pulsed Laser Annealing Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters, vol. 36, pp. L805-L807, 1997 oder A.
Ito, A. Machida, and M. Obara, Cobalt doping in BaTiO3 thin films by two-target pulsed KrF laser ablation with in situ laser annealing Applied Physics Letters, vol. 70, pp. 3338-3340, 1997 epitaktische BaTiO3-Schichten mit Dicken bis zu etwa 300 nm bekannt, die auf einem MgO-Substrat hergestellt werden.
Der Prozeß erfordert, daß die Schichten in situ durch gepulste Laserdeposition (PLD) abgeschieden werden. Die Substrattemperatur (die Temperatur, auf welche das Substrat vorgeheizt wird) kann gegenüber der gepulsten Laserdeposition von BaTiO3-Schichten ohne in situ Laserannealen um 50 K auf 65O0C gesenkt werden. Für den Prozeß ist außerdem nachteilig ein Vakuum von 40 mTorr erforderlich.
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-WVA05J^*n»PTi\Pennec5\W?nword\Bisi\VAtsSEN\t:557aGbii-dpi.doci Jl7.lJ.98 J JiJ
PT1.1557aGbm/ho 13 17.12.1998
Aus O. Baldus, Reduzierung der Prozeßtemperaturen für die CSD-Abscheidung elektrokeramischer Dünnschichten mittels Laser-Annealing, Diplomarbeit in Physik, II. Physikalisches Institut Lehrstuhl B der RWTH Aachen, 1998 ist zudem als Stand der Technik bekannt, daß (Ba, Sr) TiO3-Schichten einem PLA-Prozeß (pulsed laser annealing, Laser-Annealing-Technik mit gepulstem Laserstrahl) unterzogen und teilkristallisiert werden. Aufgrund der hohen laserinduzierten Spannungen in den Schichten wurde nachteilig Rißbildung beobachtet. Rißbildung kann die Anwendung der (Ba, Sr) TiC>3-Schichten als elektrokeramisches Bauteil stören. Weiterhin wurde gezeigt, daß durch Substratvorheizung die Neigung zu Rißbildung verringert werden kann.
Als Stand der Technik ist aus R.F. Wood and G.E. Giles, Control of melt-front velocity during pulsed laser annealing Applied Physics Letters, vol. 38, pp. 422-423, 1981 zudem bekannt, wie durch Substratvorheizung die Geschwindigkeit der Schmelzfront verringert werden kann. Die Geschwindigkeit der Schmelzfront kann sich auf die mechanischen Eigenschaften der rekristallisierten Schicht auswirken und damit auch auf die Neigung zu Rißbildung.
Insgesamt ergeben sich damit aus dem Stand der Technik eine Reihe von Nachteilen für die Herstellung und Bearbeitung von keramischen Schichten. Im einzelnen zählen dazu eine relativ geringe Temperaturwechselbeständigkeit, ein hoher Elastizitätsmodul und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dieses Verhalten führt bei einer lokal sehr hohen Temperatureinwirkung zwangsläufig zu Spannungen und der daraus folgenden Rißbildung. Die Größe der entstehenden Spannungen ist unter anderem von sich ausbildenden Temperaturgradienten im Material abhängig.
.doc; Jl7.lJ.98 J
PT1.1557aGbm/ho 14 1.7.12.1998
Durch den räumlich eng lokalisierten Laserstrahlspot in Verbindung mit den hohen Aufheizraten (und Abkühlraten) beim Laserannealen entstehen thermomechanische Spannungen in der Schicht oder in dem Schichtsystem. Die thermomechanischen Spannungen können Rißbildung in der Schicht oder im Schichtsystem verursachen. Aufgrund von Rißbildung würde ein derartiges Bauteil durch das Auftreten eines Kurzschlusses unbrauchbar.
Aufgrund des hohen Temperaturgradienten in der Schicht ist die kristallisierbare Schichtdicke begrenzt. Einerseits nimmt bei Erhöhung der eingestrahlten Flächenleistungsdichte die Temperatur an der Oberfläche so weit zu, daß es zu Ablation und Beschädigung der Oberfläche kommt. Andererseits wird bei verringerter Flächenleistungsdichte jedoch die Schicht nicht mehr durchkristallisiert, da die Temperatur nahe am Substrat unterhalb die Kristallisationstemperatur absinkt.
Es ist deshalb zudem Aufgabe der Erfindung ein optisches Bauelement mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Schichten, insbesondere Dünnschichten, zu schaffen, bei die thermische Belastung des Substrates während der Kristallisation der Schichten reduziert wird und das Entstehen von thermomechanischen Spannungen in der Schicht oder den Schichten vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.
ho-WPVAOSiWalen.PTStfennersW'lnworJ'filsCw^SSENil5573GtJn-(I1JdO(J Jl7.lJ.98 J IJJ
PT1.1557aGbm/ho 15 1.7.12.1998
Es wurde erkannt, zur Lösung dieser Aufgabe, zusätzlich zur leistungsfähigen Lichtquelle (Lampe) mit einem hohen
Strahlungsanteil im UV-Bereich eine weitere leistungsfähige
Lichtquelle (Lampe, Laser), im folgenden
Vorheizquelle genannt, zur kurzzeitigen Vorheizung einzusetzen.
Strahlungsanteil im UV-Bereich eine weitere leistungsfähige
Lichtquelle (Lampe, Laser), im folgenden
Vorheizquelle genannt, zur kurzzeitigen Vorheizung einzusetzen.
Die anspruchsgemäßen kristallisierten keramischen
Schichten können auch auf vorteilhafte Weise herge-
Schichten können auch auf vorteilhafte Weise herge-
stellt werden, indem vor der Kristallisation der gebildeten Schicht(en) mit kontinuierlichem UV-Licht die gebildete Schicht mit Hilfe einer weiteren Lichtquelle,
insbesondere mit einem Laser oder einer weiteren Lampe, vorgeheizt wird.
insbesondere mit einem Laser oder einer weiteren Lampe, vorgeheizt wird.
Die Vorheizquelle kann linienweise schnell über die
Oberfläche gescannt werden. Dazu kann eine optische
Einrichtung (z. B. Drehspiegel, Scanspiegel) zusätzlich zu einem optischen Aufbau zur Strahlformung (z. B. Linsen, Spiegel, Zylinderlinsen) eingesetzt werden, wie
sie in bekannter Weise bei Laserschweißen (Figur 2,
Stand der Technik aus Nagel, A.-M. und Exner, H., "Rißfreies Laserschweißen von Keramik, Internet Communikation, http://www.htwm.de/~laszen/KERA_W3.HTM) verwendet wird.
Oberfläche gescannt werden. Dazu kann eine optische
Einrichtung (z. B. Drehspiegel, Scanspiegel) zusätzlich zu einem optischen Aufbau zur Strahlformung (z. B. Linsen, Spiegel, Zylinderlinsen) eingesetzt werden, wie
sie in bekannter Weise bei Laserschweißen (Figur 2,
Stand der Technik aus Nagel, A.-M. und Exner, H., "Rißfreies Laserschweißen von Keramik, Internet Communikation, http://www.htwm.de/~laszen/KERA_W3.HTM) verwendet wird.
Der Einsatz einer Vorheizquelle erlaubt eine sehr kurze Einwirkdauer der Wärmebelastung gegenüber anderen Verfahren zur Vorheizung wie Diffusionsofen oder RTA-Ofen. Dies wird durch die bei gleicher Heizrate kürzere Aufheizdauer aufgrund der verminderten Temperaturdifferenz zwischen Substrattemperatur und der Kristallisationstemperatur
in der Schicht erzielt. Mit Hilfe des Vorheizens
wird das Material so weit erwärmt, daß beim
in der Schicht erzielt. Mit Hilfe des Vorheizens
wird das Material so weit erwärmt, daß beim
li.ia.98.
PT1.1557aGbm/ho 16 &lgr; 1.7.12.1998
nachfolgenden Annealen die Neigung zu Rißbildung in der Schicht verringert wird.
Durch das Vorheizen verringert sich außerdem die Temperaturdifferenz, die bis zum Annealen notwendig ist. Es tritt ein flacheres Temperaturprofil auf, so daß die erzielbare Kristallisationstiefe ansteigt. Zur Kristallisation sollte der Beleuchtungsfleck des Annealingstrahls über das vorbeschichtete Substrat gefahren ("gerastert") werden. Ebenso sollte der Beleuchtungsfleck des Vorheizstrahls über das vorbeschichtete Substrat gefahren ("gerastert") werden. Dabei sollte der Vorheizstrahl deutlich schneller und öfter (mit geringerem Vorschub senkrecht zur Scanrichtung) gerastert werden, als der Beleuchtungsfleck des Annealingstrahls.
Die Flächenleistungsdichte im Beleuchtungsfleck des Vorheizstrahls und die Scangeschwindigkeit des Vorheizstrahls sind auf die gewünschte Vorheiztemperatur und die gewünschte Heizrate einzustellen. Dabei wird die Scangeschwindigkeit möglichst hoch gewählt, um eine möglichst gleichmäßige (homogene in Scanrichtung) Aufheizung der Scanlinie zu erreichen.
Die Leistungsdichte im Beleuchtungsfleck des Annealingstrahls und die Vorschubgeschwindigkeit des Annealingstrahls können auf die notwendige, maximale Oberflächentemperatur und die gewünschte Eindringtiefe optimiert werden. Dazu kann es hilfreich sein, beide Optimierungen mit Hilfe von Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente durchzuführen.
Es ist vorteilhaft, die Vorschubgeschwindigkeit des Vorheizstrahls (senkrecht zur Scanrichtung) gleich der Vorschubgeschwindigkeit des Annealingstrahls zu wählen.
ho - \WA053\DaJenJ7^ennere\WimjAd\BESey<iESSE>A1155}aGbm-di».do» B.U.98.
PT1.1557aGbm/ho 17 J.7.12.1998
Eine weitere Möglichkeit, den Temperaturverlauf in den Schichten zu kontrollieren, stellt die Verwendung von absorbierenden Schichten dar. Eine weitere vorteilhafte Herstellungsweise für die kristallinen keramischen Schichten sieht vor, daß eine Schicht oder mehrere absorbierende Schichten an der freien Oberfläche aufgebracht werden oder in der zu kristallisierenden Schicht (zusätzliche Coatings) eingebracht werden.
Diese absorbierende Schichten können z.B. an der Oberfläche aufgebracht werden, um zusätzlich zur Kontrolle des Temperaturverlaufs die photolytischen Prozesse der organischen Schichten zu verhindern (Beispiel (Ba, Sr)TiO3), welche ebenfalls zur Rißbildung beitragen können. Andererseits können absorbierende Schichten in der Schicht (zusätzliche Coatings) eingebracht werden, um die Eindringtiefe der Strahlung und damit ebenfalls den Temperaturverlauf in den Schichten zu kontrollieren.
Hierdurch kann der Wellenlängenbereich der verwendeten Lichtquelle auch auf Bereiche ausgedehnt werden, in welchen die Schichten transparent sein können, beispielsweise der sichtbare Spektralbereich. Dadurch erweitert sich der Bereich der zur Verfügung stehenden Lichtquellen, wie zum Beispiel Ar+-Laserlicht.
Mit Hilfe der Vorheizung wird im Rahmen der Erfindung die Wärmeeinwirkung auf das Substrat reduziert. Es ist dabei zur Optimierung anzustreben, eine Belastung des Substrates mit möglichst niedriger Temperatur, ein möglichst kurzzeitiges Andauern der thermischen Belastung des Substrates, möglichst genaue Kontrolle der Dauer der thermischen Belastung des Substrates.
» lJ.li.98.
PT1.1557aGbm/ho 18 . * J.7.12.1998
Dazu wird mit Hilfe der Vorheizung eine in der Schicht oder in den Schichten definierte Erwärmung der spannungsgefährdeten Zone gezielt einstellbar. Dies hat zur Folge, daß dadurch eine definierte Erwärmung eine Reduzierung von thermomechanischen Spannungen in den Schichten erzielt werden kann. Zudem kann durch eine genaue Überwachung der Dauer und des Verlaufs der thermischen Belastung der Schichten einer Reduzierung der thermomechanischen Spannungen möglich.
Weiteres Ausführungsbeispiel
Es wurden Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Flächenleistungsdichte im Beleuchtungsfleck und der Scangeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit einerseits und dem sich einstellenden Temperaturprofil andererseits zu ermitteln. Durch Anpassung der Parameter Flächenleistungsdichte und Vorschubgeschwindigkeit können sowohl sehr flache als auch steile Temperaturgradienten in den Schichten eingestellt werden.
Die Herstellung mit einer Vorheizung zur Bildung der keramischen Schicht(en) weist den Vorteil auf, daß es innerhalb kurzer Zeit, insbesondere innerhalb weniger Sekunden, eine gut steuerbare Temperaturfelderzeugung erlaubt. Zudem ist die Bearbeitung unter freien Bedingungen und ohne kompliziertes Handling möglich. 30
Als Pulsdauer für die Vorheizung kann einen Wert zwischen dem von Excimerlaser und UV-Lampen realisierbaren Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 10 ns und 0,1 s vorgesehen werden. Besonders günstig kann es sein,
' ij.i5.9s:
PT1.1557aGbm/ho 19 ti . ,. .. .17.12.1998
die Pulsdauer für die Kristallisation von BaTiO3 mit 50 ns zu wählen.
ho -\\PVAO53\D*ten_JT»\Penners\Winv,«rd\BB9CJVJES^NMlSJ7aGbm-dJa.dtJ I7.j2.9i J JIJ
Claims (3)
1. Optisches Bauelement, insbesondere ferroelektrischer Speicher, mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Schichten, dadurch hergestellt, daß wenigstens eine keramische Schicht auf einer geeigneten Unterlage gebildet wird und mit UV-Licht kontinuierlich bestrahlt wird.
2. Optisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch 1 mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Schichten, dadurch hergestellt, daß vor der Kristallisation der gebildeten Schichten mit kontinuierlichem UV-Licht die gebildete Schicht mit Hilfe einer weiteren Lichtquelle, insbesondere mit einem Laser oder einer weiteren Lampe, vorgeheizt wird.
3. Optisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer oder mehreren kristallisierten keramischen Schichten, dadurch hergestellt, daß eine oder mehrere absorbierende Schichten an der freien Oberfläche aufgebracht oder in der zu kristallisierenden Schicht (zusätzliche Coatings) eingebracht werden.
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| DE4244517A1 (en) * | 1992-12-30 | 1993-05-19 | Kathrin Weise | Photochemical crosslinking of persistent silicon carbide ceramic precursors - by UV-irradiation of poly-silane(s) in presence of special bis:azide(s), e.g. 2,6-bis-(4-azido:benzylidene)-4-methyl-cyclohexanone |
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- 1998-02-16 DE DE1998106013 patent/DE19806013C2/de not_active Expired - Fee Related
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