DE3525506A1 - Method for producing a layer having regions of different optical transmission - Google Patents

Method for producing a layer having regions of different optical transmission

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Abstract

The method according to the invention can be applied in microelectronics, optoelectronics, sensor technology and optics. The aim and object of the invention consists in finding a production method for a coating having regions of different optical transmission, a coating having a wavelength-dependent transmittivity tau 1( lambda ) being deposited on a substrate. According to the invention, the object is achieved in a manner such that in the case of a coating which has been deposited by means of a plasma-aided CVD method and has an amorphous or fine polycrystalline structure and consists of a mixture of silicon or another semiconductor and hydrogen or halogen and other doping elements, for example phosphorus, a local energy treatment is performed by the action of a focused laser beam or electron beam on the relevant coating region in a time interval of one picosecond and one hour in a temperature range from 350 K to 3000 K.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Schicht mit Bereichen un-Method for producing a layer with areas un-

terschiedlicher optischer Transmission Das Herstellungsverfahren einer Schicht mit Bereichen unterschiedlicher optischer Transmission ist in der Mikroelektronik, Optoelektronik, Sensortechnik und Optik anwendbar.different optical transmission The manufacturing process of a Layer with areas of different optical transmission is used in microelectronics, Optoelectronics, sensor technology and optics can be used.

Die Herstellung von Schichten mit einem einheitlichen wellenabhängigen Transmissionsgrad# Ç (h) ist bekannt (C. Weissmantel, C. Hamann: Grundlagen der Festkörperphysik, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1979).The production of layers with a uniform wave-dependent Transmission factor # Ç (h) is known (C. Weissmantel, C. Hamann: Basics of Solid State Physics, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1979).

Es sind weiterhin Schichten mit einem wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad L (h) bekannt, bei denen die Transmission, beginnend bei einer bestimmten Wellenlänge steil ansteigt bzw. steil abfällt. Schichten mit solchen Transmissionskanten werden vielfältig als optische Filterschichten verwendet, da sie nur Licht ab einer bestimmten Wellenlänge oder innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches hindurchlassen.There are still layers with a wavelength-dependent transmittance L (h) known at which the transmission starting at a certain wavelength rises or falls steeply. Layers with such transmission edges are Used in many ways as optical filter layers, as they only light up a certain level Let pass wavelength or within a certain wavelength range.

So sind die Herstellung von Poly-Si-Schichten mit einem Farbstoff als Blaufilter (DE-OS 2725147) und die Herstellung von Schichten als Infrarotfilter (DE-OS 2829260) beschrieben.So are the production of poly-Si layers with a dye as a blue filter (DE-OS 2725147) and the production of layers as an infrared filter (DE-OS 2829260) described.

Von verschiedenen Autoren (E#-PS 058543) wird die Herstellung von a-Si-Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften beschrieben, indem die Konzentration des Wasserstoffs, der Halogene oder anderer Element durch Änderung der Herstellungsparameter während des Abscheideprozesses variiert werden.Various authors (E # -PS 058543) describe the production of a-Si layers with different optical Properties described by increasing the concentration of hydrogen, halogens or other element Change in the manufacturing parameters can be varied during the deposition process.

Es sind weiterhin CVD-a-Si-Schicht en mit unterschiedlichen Dotierungselementen bekannt, die als photothermische Absorberschichten für Solarzellen benutzt werden und die durch das Vorhandensein der Dotierungselemente eine höhere Kristallisationstemperatur besitzen und somit thermisch stabiler sind (D. C. Booth et al, J. of Non-Cryst. Solids 35 (1980) S. 213 - 218).There are also CVD a-Si layers with different doping elements known, which are used as photothermal absorber layers for solar cells and a higher crystallization temperature due to the presence of the doping elements and are therefore more thermally stable (D. C. Booth et al, J. of Non-Cryst. Solids 35 (1980) pp. 213-218).

Es ist weiterhin bekannt, daß sich der Absorptionskoeffizient und somit der Transmissionsgrad bei der Umwandlung von amorphem Silicium in kristallines Silicium in Abhängigkeit von der Kristallitgröße bei groß flächig getemperten Schichten verringert (G. Blum, J. of Non-Oryst.It is also known that the absorption coefficient and thus the transmittance in the conversion of amorphous silicon into crystalline Silicon as a function of the crystallite size for layers annealed over a large area reduced (G. Blum, J. of Non-Oryst.

Solids 22 (1976), 29).Solids 22: 29 (1976)).

Es sind weiterhin amorphe Selenschichten (EP 14848) und anisotrope Kristalischichten (EP 14373) bekannt, die ihren wellenlängenabhängigen Transmiss ionsgrad in Abhängigkeit vom Druck und der Temperatur ändern.There are still amorphous selenium layers (EP 14848) and anisotropic Crystal layers (EP 14373) known that their wavelength-dependent transmission Change the degree of ion depending on the pressure and the temperature.

Diese Verfahren besitzen aber alle den Nachteil, daß die Schicht einen einheitlichen Transmissionsgrad und somit auch eine einheitliche Transmissionskante besitzt. Sollen in der Schicht mikroskopisch genau positionierte Bereiche mit unterschiedlichen Transmissionskanten erzeugt werden, so müßten mehrere Schichten mit jeweils unterschiedlichen Transmissionskanten übereinander abgeschieden und photolithographisch strukturiert werden (EP 40984). Das ist aber technologisch sehr aufwendig und aufgrund der unterschiedlichen Substanzen der verwendeten Schichten nur sehr schwer realisierbar.However, these methods all have the disadvantage that the layer has a uniform degree of transmission and thus also a uniform transmission edge owns. Should in the layer microscopically precisely positioned areas with different Transmission edges are generated, so several layers would have to be each with different Transmission edges deposited on top of each other and structured photolithographically (EP 40984). However, this is technologically very complex and due to the different Substances of the layers used are very difficult to implement.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren einer Schicht mit Bereichen unterschiedlicher optischer Transmission bereitzustellen, das mittels vorhandener mit der hrikroelektronik kompatibler Technologien durchführbar ist und sich mit geringem Aufwand realisieren läßt.The aim of the invention is to provide a manufacturing method of a Provide a layer with areas of different optical transmission, this can be carried out using existing technologies that are compatible with the microelectronics and can be implemented with little effort.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren einer Schicht mit Bereichen unterschiedlicher optischer Transmission zu finden, die an genau vorgegebenen Stellen positioniert sind und eine bestimmte, während des Herstellungsprozesses genau einstellbare Transmissionskante besitzen.The invention was based on the object of a manufacturing method to find a layer with areas of different optical transmission, which are positioned at precisely specified locations and a certain while of the manufacturing process have precisely adjustable transmission edge.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem auf einer Unterlage eine Schicht mit einem wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad #4 (#) abgeschieden wird. So kann sie durch ein plasmagestütztes CVD-Verfahren bei Temperaturen unter 350 OC abgeschieden werden und eine amorphe oder feinpolykristalline Struktur besitzen. Entsprechend ihres Transmissionsgrades Z (h) hat die Schicht eine oder mehrere Transmissionskanten bei A1 bz;w.#,. Der einheitliche Transmissionsgrad und die Transmissionskanten hängen von den Substanzen, aus denen die Schicht besteht, von der Kristallstruktur, den chemischen Bindungen in der Schicht und anderen physikalischen und chemischen Größen ab. Diese Schicht kann beispielsweise ein Gemisch aus Silicium und Wasserstoff, Silicium und Halogen oder ein Gemisch aus einem anderen Halbleiter und Wasserstoff bzw.According to the invention, the object is achieved by on a base deposited a layer with a wavelength-dependent transmittance # 4 (#) will. For example, a plasma-assisted CVD process can be used at temperatures below 350 OC and have an amorphous or fine polycrystalline structure. Depending on its degree of transmission Z (h), the layer has one or more transmission edges at A1 or; w. # ,. The uniform degree of transmission and the transmission edges hang of the substances that make up the layer, of the crystal structure, the chemical bonds in the layer and other physical and chemical quantities away. This layer can, for example, be a mixture of silicon and hydrogen, Silicon and halogen or a mixture of another semiconductor and hydrogen respectively.

Halogen sein und andere Dotierungselemente besitzen.Be halogen and have other doping elements.

In der Schicht werden durch eine definierte, lokale Energiebehandlung Schichtbereiche mit jeweils unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Transmissionsgraden U (h) erzeugt.In the layer are through a defined, local energy treatment Layer areas each with different wavelength-dependent degrees of transmission U (h) generated.

über dieser Schicht können Isolator- oder Antireflexionsschichten abgeschieden werden, beispielsweise SiO2 oder Si3N4. Die Unterlage, auf der die Schicht mit den wellenlängenabhängigen ~l1ransmis sionsko effizient en t ) abgeschieden ist, kann beispielsweise ein Quarzglassubstrat, die Oberfläche eines optischen oder optoelektronischen Bauelementes oder eine Folie sein.over this layer can be insulating or anti-reflective layers be deposited, for example SiO2 or Si3N4. The underlay, on which the layer with the wavelength-dependent transmission coefficient is efficient en t) is deposited, for example a quartz glass substrate, the surface an optical or optoelectronic component or a film.

Um in genau vorgegebenen Bereichen der Schicht einen jeweils gewünschten Transmissionsgrad und somit entsprechende Transmissionskanten einmalig einzustellen, werden diese vorgegebenen Bereiche einer definierten lokalen i#:nergiebehandlung unterzogen. Diese Energiebehandlung kann beispielsweise mit einem Laserimpuls, einem fokussierten, sich bewegenden cw-Laser oder einem Elektronenstrahl durchgeführt werden. Dabei werden die Schichtbereiche innerhalb eines Zeitintervalls von 1 Pikosekunde bis 1 Stunde auf eine Temperatur zwischen 350 K und 3000 K aufgeheizt. Die sich dabei in dem jeweiligen Schichtbereich neu einstellenden Transmissionskanten (aufgrund der Änderung des Transmissionsgrades # ()) hängen von der Art der Energiedeponierung vom Betrag und der Dauer der Energie einwirkung und somit vom im Schicht bereich erzeugten Temperatur-Zeitverlauf ab und können reproduzierbar eingestellt werden.In order to achieve a desired one in precisely specified areas of the layer Set the degree of transmission and thus the corresponding transmission edges once, these predetermined areas become a defined local energy treatment subjected. This energy treatment can, for example, with a laser pulse, a focused, moving cw laser or an electron beam will. The layer areas are set within a time interval of 1 picosecond heated to a temperature between 350 K and 3000 K for up to 1 hour. Which Newly adjusting transmission edges in the respective layer area (due to the change in the degree of transmission # ()) depends on the type of energy deposition on the amount and duration of the energy impact and thus on the area in the shift generated temperature-time curve and can be set reproducibly.

Die Änderung des Wertes für den Transmissionsgrad L# (h) durch die Energie einwirkung wird unter anderem durch die Änderung der kristallinen Struktur der Schicht, der Anzahl und der Art der chemischen Bindungen und durch eine Änderung der Elementekonzentration hervorgerufen. Wird zum Beispiel ein amorphes Silicium-Wasserstoff-Gemisch verwendet (H-Anteil 22 C/o), so erhöht sich die Transmissionskante von z. B. Aq = 560 nm der unbehandelten Schicht stetig bis auf 640 nm nach einer geringen l;Wårmebehandlung und verringert sich dann bei einer weiteren, intensiveren Wärmebehandlung je nach Temperatur und bauer stetig bis auf 420 nm. Die Erhöhung des Wertes der Transmissionskante wird u. a4 durch die Aktivierung des Wasserstoffs hervorgerufen. Die Verringerung bei der -nachfolgenden intensiveren Wärmebehandlung ist auf das Heraustreiben des Wasserstoffs und die Kristallisation bzw. die Veränderung der Korngröße im Silicium zurückzuführen. Die vorgegebenen Bereiche der Schicht mit dem jeweiligen eingestellten Transmissionsgrad können eine Größe von 100 nm2 bis zu 100 cm2 besitzen. Die so behandelte Schicht kann als optischer Filter benutzt werden.The change in the value for the transmittance L # (h) by the One of the ways in which energy is affected is the change in the crystalline structure the layer, the number and type of chemical bonds and by a change caused by the concentration of elements. For example, it is an amorphous silicon-hydrogen mixture used (H-share 22 C / o), the transmission edge increases from z. B. Aq = 560 nm of the untreated layer steadily up to 640 nm after a slight heat treatment and then decreases with a further, more intensive heat treatment depending on the Temperature and build steadily up to 420 nm. The increase in the value of the transmission edge will a4 caused by the activation of hydrogen. The reduction in the subsequent more intense heat treatment is aimed at driving out the hydrogen and the crystallization or the change in grain size in the silicon. The specified areas of the layer with the respective set transmittance can have a size of 100 nm2 up to 100 cm2. The layer treated in this way can be used as an optical filter.

Ausführungsbeispiel Ein Quarzglasplättchen wird mit 200 nm CVD-SiO2, 600 nm norphen CVD-Si und 400 nm CVDwSiO2 mittels plasmainduzierten Verfahren beschichtet.Exemplary embodiment A quartz glass plate is coated with 200 nm CVD-SiO2, 600 nm norphen CVD-Si and 400 nm CVDwSiO2 coated using plasma-induced processes.

Das amorphe Silicium enthält 25 % Wasserstoff und besitzt einen über die gesamte Schicht einheitlichen wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad Z (x) mit einer Transmissionskante bei Afl = 560 nm (d. h., bei dieser Wellenlänge steigt die Transparenz der Schicht steil an). Danach wird die Si-Schicht mit einem fokussierten Ar-Laserstrahl (Linienbreite 80 /um; V = 10 mm/s; Abstand zwischen den Linien 20 /um) abgerastert. Die Leistung des Lasers beträgt bei der ersten Linie 0,1 W und wird bei jeder Linie um jeweils 0,05 W erhöht, bis 1,5 W erreicht sind.The amorphous silicon contains 25% hydrogen and has one over uniform wavelength-dependent transmittance Z (x) across the entire layer with a transmission edge at Afl = 560 nm (i.e. increasing at this wavelength the transparency of the layer increases steeply). After that, the Si layer is focused with a Ar laser beam (line width 80 / µm; V = 10 mm / s; distance between lines 20 / um) scanned. The power of the laser for the first line is 0.1 W and is increased by 0.05 W for each line until 1.5 W is reached.

Die abgerasterten Si-Strdifen besitzen jeweils unterschiedliche wellenlängenabhängi ge Transmissionsgrade t ) und somit auch verschiedene Transmissionskanten, die zwischen 400 und 650 nm liegen, d. h., jeweils beginnend mit dieser Wellenlänge sind sie transparent. Die so behandelte Absorptionsschicht kann als optischer SsEkrofilter verwendet werden.The scanned Si strips each have different wavelength-dependent characteristics ge transmittance t) and thus also different transmission edges between 400 and 650 nm, i.e. that is, they are each beginning with this wavelength transparent. The absorption layer treated in this way can be used as an optical SsEkrofilter be used.

Claims (5)

Patent ansprüche 1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht mit Bereichen unterschiedlicher optischer Transmission, bei dem auf einer Unterlage eine Schicht mit einem wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad i ) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schicht durch eine definierte, lokale Energiebehandlung Schichtbereiche mit j jeweils unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad ## (h) erzeugt werden.Claims 1. A method for producing a layer with areas different optical transmission, with a layer on a base is deposited with a wavelength-dependent transmittance i), thereby characterized in that in the layer by a defined, local energy treatment Layer areas with j each different wavelength-dependent transmittance ## (h) can be generated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schicht mit dem wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad ## (A) aus einem Gemisch aus Silicium oder einem anderen Halbleiter und #asserstoff oder aus Silicium oder einem anderen Halbleiter und Halogen und anderen Dotierelementen, beispielsweise Phosphor bis zu 5 , Volumenanteil eingebaut wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in the layer with the wavelength-dependent transmittance ## (A) from a mixture of silicon or another semiconductor and hydrogen or made of silicon or another Semiconductors and halogen and other doping elements, for example phosphorus bis to 5, volume fraction is installed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über und/oder unter der Schicht mit dem wellenlängenabhängi gen Transmissionsgrad v(x) (# Isolator-oder Äntireflexionsschichten abgeschieden werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that about and / or under the layer with the wavelength-dependent transmittance v (x) (# Insulator or anti-reflective layers are deposited. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte, lokale Energiebehandlung durch die Einwirkung eines fokussierten Laser- oder Elektronenstrahles erfolgt und dabei die Schicht bereiche innerhalb eines Zeitintervalls von 1 Pikosekunde bis 1 Stunde auf eine Temperatur zwischen 350 K und 3000 K aufgeheizt werden.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the defined, local energy treatment through the action of a focused laser or electron beam takes place and the layer areas within a time interval from 1 picosecond to 1 hour at a temperature between 350 K and 3000 K. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtbereiche mit den-jeweils unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Transmissionsgraden ## (h) eine Größe von 100 nm2 bis 100 cm2 besitzen.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the Layer areas with the - in each case different wavelength-dependent transmittance ## (h) have a size of 100 nm2 to 100 cm2.
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