DE4329268A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichten, bei welchen das Halbleitermaterial für die Halbleiterschicht mit einem gepulsten Laserstrahl von einem Target ablatiert und auf einem Substrat als Schicht abgeschieden wird.

Bei einer derartigen Herstellung von Halbleiterschichten besteht das Problem, daß diese - um eine optimale Qualität zu erhalten möglichst homogen abgeschieden werden sollten.

Ferner stellt sich bei Verbindungshalbleitern das Problem der stöchiometrischen Abscheidung des Halbleitermaterials nach der Ablation desselben auf dem Substrat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß mit diesem möglichst optimale Schichten erhältlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Target als Partikelverbund aus Partikeln des Halbleiter­ materials hergestellt wird und daß die Partikel mit einer derartigen Korngröße gewählt werden, daß im wesentlichen pro Laserpuls mindestens ein erheblicher Teil eines Parti­ kels verdampft oder ablatiert wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß durch die Herstellung des Targets als Parti­ kelverbund zwischen den einzelnen Partikeln Partikelgrenz­ flächen geschaffen werden, welche die Wärmeleitung zwi­ schen den Partikeln reduzieren und daß somit bei noch zu­ sätzlich entsprechender Wahl der Korngröße der Partikel ein Ablatieren mindestens eines erheblichen Teils eines Partikels bei jedem Laserpuls erreicht wird.

Der besondere Vorteil eines derartigen Verbunds aus Parti­ keln ist in einer hohen Anzahl von Partikelgrenzflächen pro Volumeneinheit des Targetmaterials zu sehen. Dadurch wird auch der prozentuale Anteil von Leerstellen oder Vakanzen erhöht, woraus eine Erhöhung der Effizienz der der Ankopplung der Laserstrahlung an das Targetmaterial resultiert. Ferner führt die Verminderung der Wärmeleitung an den Partikelgrenzflächen zu einem Wärmestau innerhalb der Partikel des oberflächennahen Verbunds von Partikeln und damit zu einer zusätzlichen Erhöhung der Ablationsrate je Laserpuls und Partikel bei gleichzeitig verminderter oder verhinderter Segregation.

Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Ablatieren des Halbleitermaterials der von dem Laser­ strahl erfaßten oberflächennahen Partikel des Targets in einer Laser-Target-Wechselwirkungszone mit einer Tiefe, die mindestens der Elementarzellendimension entspricht. Aufgrund der Tiefe der Wechselwirkungszone, die größer als die Elementarzellendimension des Halbleitermaterials ist, wird erreicht, daß das ablatierte Halbleitermaterial kongruent oder in stöchiometrischen Verhältnissen auf dem Substrat abgeschieden wird, wobei die Ablation des Halb­ leitermaterials bis zu einer mindestens der Größe der Elementarzellendimension entsprechende Tiefe dadurch mög­ lich ist, daß die Partikelgrenzflächen eine Barriere für eine Wärmeableitung und Teilchendiffusion oder Segregation in dem Target darstellen.

Bei der Laserablation erfolgt beim Beaufschlagen des Tar­ gets mit dem Laserpuls vielfach zunächst ein Übergang des Targetmaterials in die Schmelzphase und dann ein anschlie­ ßendes Ablatieren.

Dieser Übergang von der festen in die Schmelzphase bringt jedoch Probleme mit sich, da sich aus der Schmelzphase vielfach Tröpfchen und somit Agglomerate bilden, die sich dann als solche auf dem Substrat niederschlagen und eine schlechte Schichtstruktur auf dem Substrat zur Folge haben. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn die Korngröße der Partikel so gewählt wird, daß jedes Par­ tikel im wesentlichen unter Ausschluß der Schmelzphase ablatiert wird.

Wichtig für das Ablatieren des Targetmaterials unter Aus­ schluß der Schmelzphase ist es ferner, wenn auch die Puls­ länge des Lasers an diese Bedingung angepaßt wird und daher die Pulslänge entsprechend kurz gewählt wird.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Lösung sieht vor, daß die Korngröße der Par­ tikel so gewählt wird, daß diese kleiner als ein 10faches der Eindringtiefe des Laserlichts in das Halbleitermate­ rial ist.

Noch vorteilhafter ist es, wenn die Korngröße der Partikel kleiner als ein 5faches der Eindringtiefe des Laserlichts in das Halbleitermaterial, insbesondere kleiner oder gleich der Eindringtiefe, gewählt wird.

Eine andere Art der Definition der Korngröße sieht vor, daß die Korngröße der Partikel kleiner 10 µm gewählt wird. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Korngröße kleiner 5 µm oder kleiner 1 µm ist, so daß bei jedem Impuls im wesent­ lichen ein Teil eines oberflächennahen Partikels ablatiert wird.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Target unmittelbar aus Partikeln des Halbleitermaterials oder Komponenten desselben hergestellt, das auf dem Substrat zur Abschei­ dung gelangen soll. Dabei werden die Partikel vorzugsweise mit einer Korngröße gewählt, die kleiner oder vergleichbar ist mit der zu erwartenden Korngröße der auf dem Substrat aufwachsenden Halbleiterschicht.

Hinsichtlich der Art der Herstellung des Partikelverbunds wurden im Zusammenhang mit den bisher beschriebenen Aus­ führungsbeispielen keine Angaben gemacht. Ein vorteil­ haftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Partikel zu dem Target verpreßt werden.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Partikel durch allseitigen, insbesondere hydrostatischen Druck zu dem Target verpreßt werden. Dadurch erhält das Target eine gleichmäßigere Struktur.

Besonders optimale Ergebnisse bei der Laserablation sind dann erhältlich, wenn die Dichte der Partikel möglichst groß ist, das heißt wenn die Partikelabstände in dem Tar­ get möglichst klein angeordnet sind.

Diese Bedingung ist vorteilhafterweise dann erfüllt, wenn das Target mit einer Dichte von < 90% der theoretischen Dichte des Halbleitermaterials hergestellt wird.

Noch vorteilhafter ist es, wenn die Dichte < 95% der theo­ retischen Dichte des Halbleitermaterials ist.

Hinsichtlich der Art des Substrats wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Aus­ führungsbeispiel vor, daß das Substrat zur Abscheidung des Halbleitermaterials beheizt wird. Insbesondere ist dabei ein Beheizen des Substrats auf Temperaturen von ungefähr 200°C bis ungefähr 600°C vorgesehen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichten, umfassend ein Target, einen Laser, welcher mit einem gepulsten Laserstrahl das Target zur Materialablation beaufschlagt, und ein Substrat, auf welchem sich das ablatierte Material niederschlägt, vorzugsweise erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Target das Halbleiter­ material in Form von Partikeln umfaßt und daß die Partikel eine derartige Korngröße aufweisen, daß mit jedem Puls des Laserstrahls mindestens ein erheblicher Teil eines Parti­ kels im wesentlichen ablatiert wird.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Korngröße der Partikel so gewählt ist, daß jeder Partikel mit einem Puls des Lasers im wesentlichen unter Ausschluß der Schmelzphase ablatiert wird.

Die Korngröße der Partikel ist vorzugsweise so gewählt, daß diese kleiner als ein 10faches der Eindringtiefe des Laserstrahls in das Halbleitermaterial ist. Noch vorteil­ hafter ist es, wenn die Korngröße kleiner als ein 5faches der Eindringtiefe des Laserstrahls in das Halbleitermate­ rial, insbesondere kleiner gleich der Eindringtiefe, ist.

Eine andere Möglichkeit der Definition der Korngröße sieht vor, daß die Korngröße der Partikel < 10 µm, noch besser < 5 µm und noch besser < 1 µm ist.

Vorzugsweise ist das Target derart aufgebaut, daß das Tar­ get ein Preßling ist, das heißt, daß die Partikel zu dem Target verpreßt sind.

Ein erfindungsgemäßes Target läßt sich insbesondere dann in vorteilhafterweise ablatieren, wenn die Dichte des Tar­ gets < 90% der Dichte des Halbleitermaterials ist, noch besser ist es, wenn die Dichte < 95% ist.

Ferner sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß das Substrat zum Abscheiden des Halbleitermaterials beheizbar ist.

Vorzugsweise ist hierzu ein Halter für das Substrat vorge­ sehen, welcher eine Temperiereinrichtung aufweist.

Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der Erfin­ dung wurde nicht näher auf die Art des Laserstrahls einge­ gangen.

Vorzugsweise hat der Laserstrahl eine Wellenlänge im ultravioletten, insbesondere < 400 nm.

Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Laserstrahl eine Pulslänge von < 10 ns aufweist.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse der Ablation, lassen sich dann erreichen, wenn der Laserstrahl am Ort des Tar­ gets eine Leistungsdichte von ungefähr 10⁷ bis ungefähr 10¹⁰ W/cm² aufweist.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Ablation des Halbleitermate­ rials im Vakuum, insbesondere bei einem Druck von größen­ ordnungsmäßig 10^-6 mbar oder weniger.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Target in schematischer Darstellung.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Aufdampfen von Halbleitermaterialien, dargestellt in Fig. 1 umfaßt ein Vakuumgefäß 10, welches mittels einer Pumpe 12 evakuierbar ist, und zwar vorzugsweise auf einen Druck von ungefähr 10^-6 mbar. In dem Vakuumgefäß 10 ist ein als Ganzes mit 14 bezeichnetes Target auf einer Haltevorrichtung 16 angeordnet, wobei das Target 14 mit­ tels der Haltevorrichtung 16 justierbar und drehbar ist.

Dem Target 14 und zwar einer Vorderseite 18 desselben zu­ gewandt ist ein Substrat 20 angeordnet, welches mit einer Frontseite 22 der Vorderseite 18 gegenüber steht.

Vorzugsweise erstrecken sich die Vorderseite 18 und die Frontseite 22 im wesentlichen parallel zueinander.

Das Substrat 20 ist seinerseits auf einem Halter 24 justierbar und drehbar gehalten, wobei der Halter 24 zusätzlich noch beheizbar ist, um das Substrat auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen.

Die Vorderseite 18 des Targets 14 ist mit einem Laser­ strahl 26 bestrahlbar, wobei der Laserstrahl durch ein Fenster 28 im Vakuumgefäß hindurchtritt und vorzugsweise mittels einer Linse 30 von einem Laserkopf 32 kommend im Abstand von der Vorderseite 18, vorzugsweise vor dieser, fokussierbar ist.

Die Laserleistungsdichte am Ort des Targets beträgt vor­ zugsweise 10⁷ bis 10¹⁰ W/cm² bei einer Wellenlänge im ultravioletten Bereich, vorzugsweise in einem Bereich < 400 nm. Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Laserstrahl 26 eine Wellenlänge von 266 nm.

Der Laserstrahl ist vorzugsweise ein gepulster, wobei die Pulsdauer vorzugsweise bei Werten von 10 ns liegt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Target 14 als Preßling hergestellt und besteht aus einer Vielzahl von Partikeln 34, welche miteinander zu dem das Target 14 bildenden Preßling verpreßt sind, wobei die Partikel 34 nach wie vor aber voneinander getrennte Partikel sind, welche durch Partikelgrenzflächen 36 voneinander getrennt und derart dicht gepackt sind, daß Hohlräume 40 zwischen diesen mög­ lichst klein sind. Die Korngröße der Partikel 34 liegt vorzugsweise in einem Bereich von < ungefähr 1 µm.

Der Laserstrahl 26 ist dabei auf das Target 18 fokussiert, wobei beispielsweise eines oder mehrere Partikel 34 von dem fokussierten Laserstrahl 26 aufgeheizt werden.

Der Erfindungsgedanke ist insbesondere darin zu sehen, daß das Halbleitermaterial der von dem Laserstrahl 26 er­ faßten oberflächennahen Partikel 34 des Targets 14 im Bereich einer Laser-Target-Wechselwirkungszone 42 mit einer Tiefe, die mindestens einer Elementarzellendimension des Halbleitermaterials entspricht, im Bereich der Par­ tikelgrenzflächen 36 ablatiert wird, wobei ein kongruenter oder stöchiometrischer Abtrag dadurch begünstigt ist, daß die Partikelgrenzflächen 36 eine Barriere für eine Wärme­ leitung und eine Teilchendiffusion bzw. Segregation dar­ stellen und außerdem ein Ausschluß der Schmelzphase durch einen Wärmestau in den oberflächennahen Partikeln 34 er­ folgt.

Aus einem derartigen Target 14 aus CdS läßt sich CdS kongruent oder in stöchiometrischen Verhältnissen abla­ tieren und vorzugsweise als dünne CdS-Schicht mit der bei­ spielsweise für Solarzellen erwünschten Zinkblendestruktur auf dem Substrat 20, zum Beispiel auf CuInSe₂-Filmen, auf­ wachsen. Entsprechende homogene CdS-Filme können aber auch auf anderen Materialien, wie Silizium und GaAs, aber auf Glas abgeschieden werden. Außerdem ist die mit einem er­ findungsgemäßen Target 14 durch Laserablation hergestellte CdS-Schicht sehr glatt und wirkt sich stabilisierend auf das gesamte Schichtsystem, beispielsweise der Solarzelle, aus.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichten, bei welchem das Halbleitermaterial mit einem ge­ pulsten Laserstrahl von einem Target ablatiert und auf einem Substrat als Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Target als Partikelverbund aus Partikeln des Halb­ leitermaterials hergestellt wird und daß die Partikel mit einer derartigen Korngröße gewählt werden, daß im wesentlichen pro Laserpuls mindestens ein erheblicher Teil eines Partikels verdampft oder ablatiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Partikel so gewählt wird, daß jedes Partikel im wesentlichen unter Ausschluß der Schmelzphase ablatiert wird.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Parti­ kel so gewählt wird, daß diese kleiner als ein 10faches der Eindringtiefe des Laserlichts in das Halbleitermaterial ist.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Parti­ kel kleiner als 10 µm gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel des Halbleiter­ materials zu dem Target verpreßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch allseitigen Druck zu dem Tar­ get verpreßt werden.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target als Partikel­ verbund mit einer Dichte von < 90% der theoretischen Dichte des Halbleitermaterials hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zur Abschei­ dung des Halbleitermaterials beheizt wird.

9. Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichten, umfassend ein Target, einen Laser, welcher mit einem gepulsten Laserstrahl das Target zur Materialablation beaufschlagt, und ein Substrat, auf welchem sich das ablatierte Material niederschlägt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (14) das Halbleitermaterial in Form von Partikeln (34) umfaßt und daß die Partikel (34) eine derartige Korngröße aufweisen, daß damit jeder Puls des Laser­ strahls (26) mindestens einen erheblichen Teil eines Partikels ablatiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Partikel (34) so gewählt ist, daß jedes Partikel (34) mit einem Puls des Laser­ strahls (26) im wesentlichen unter Ausschluß der Schmelzphase ablatiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Korngröße der Partikel (34) so ge­ wählt ist, daß diese kleiner als ein 10faches der Eindringtiefe des Laserstrahls (26) in das Halblei­ termaterial ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Target (14) ein Preß­ ling ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dichte des Targets (14) < 80% der Dichte des Halbleitermaterials ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) zum Ab­ scheiden des Halbleitermaterials beheizbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halter (24) für das Substrat (20) vorgesehen ist, welcher eine Temperiereinrichtung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (26) eine Wellenlänge von < 400 nm aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (26) eine Pulslänge von < 10 ns aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl am Ort des Targets (14) eine Leistungsdichte von 10⁷ bis 10¹⁰ W/cm² aufweist.