WO2012146396A1 - Verfahren zur festphasen-kristallisation einer amorphen oder polykristallinen schicht - Google Patents

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substrate
plasma
crystallization
electric field
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PCT/EP2012/001860
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Jürgen NIESS
Alexander Gschwandtner
Wilfried Lerch
Wilhelm Kegel
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Hq-Dielectrics Gmbh
Centrotherm Thermal Solutions Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the solid-phase crystallization of an amorphous or polycrystalline layer, in particular a silicon layer on a substrate. It is known in various technical fields to use polycrystalline silicon thin films. Often there is a desire for the largest possible crystallites, for example for TFT transistors. Similarly, crystallites grown in layers for thermoelectric applications.
  • the starting materials for such polycrystalline silicon thin films are, inter alia, deposited or sputtered amorphous or microcrystalline doped or undoped silicon layers. These can be produced for example by CVD, PECVD or PVD on substrates, such as glass substrates or even on plastic films. For some applications, sapphire, silicon or other more expensive materials are also used as the substrate. Instead of silicon films, other amorphous or polycrystalline films are also conceivable as starting materials, e.g. SiGe, CulnGaSe, CulnGaS, CdTe, etc. The invention is described below by way of example with reference to silicon films.
  • crystallization In the silicon layer can then be induced a crystallite growth, which is referred to as crystallization.
  • crystallization should include both an original crystallization and a recrystallization of the Si layer.
  • different methods are known, such as a thermal treatment in a neutral gas.
  • a thermal treatment in a neutral gas For example, it is known in glass plates (as a substrate), a temperature treatment in a temperature range of 650 ° to 680 ° C to perform.
  • crystallization proceeds relatively slowly at this temperature. Higher temperatures can also be used with higher quality substrates, which can accelerate growth but also increase the cost of the substrate.
  • a metal-induced lateral crystallization is known. It is particularly known that nickel improves the crystallization by diffusion into the silicon layer. In this case, spaced nickel strips are usually applied to the silicon layer, which lead to a lateral diffusion of nickel into the layer, which promotes crystallization. From the article "Electric field-enhanced metal-induced lateral crystallization and P-channel poly-Si TFTs fabricated by it" by Xiangbin Zeng et al, published in Microelectronics Journal 39 (2008) 1189-1194, it is further described that the metal-induced Crystallization on the application of an electric field can be further improved. In this method, the nickel strips serve simultaneously as a nickel source and as an electrode for applying the electric field.
  • the present invention has the object to provide a method for solid-phase crystallization of an amorphous or polycrystalline layer, in particular a silicon layer, which improves in particular the thermally induced crystallization.
  • the layer is heated to a predetermined crystallization temperature. heated, and held thereon for a predetermined period of time. During the heating process and / or while maintaining at the predetermined crystallization temperature, a microwave plasma adjacent to the layer is generated. Such a plasma is able to build up a strong electrostatic field on the film surface which promotes crystallization of the film. As a result, the temperature can be reduced and / or the crystallization can be accelerated at the same temperature. In particular, larger crystallites may optionally also be produced.
  • the plasma is generated from a neutral gas in order to cause no further reactions outside the crystallization process.
  • the plasma is a microwave-excited plasma, which is generated with a rod-shaped microwave electrode having an outer conductor and an inner conductor.
  • the microwave plasma can be particularly suitably constructed to build up a strong electrostatic field on the surface of the layer.
  • the microwave electrode of the above type enables a one-sided arrangement of the required components in a simple manner.
  • the distance to the microwave electrode and the layer is varied during the process to affect crystal growth thereat. In particular, the distance is changed in a region in which primarily electrons are located on the surface of the layer.
  • the layer may also be in contact with another element which promotes crystallization.
  • the layer may be in contact with nickel, in particular two spaced-apart nickel strips.
  • the rate of poly-Si recrystallization or, in particular, the metal-induced recrystallization can be greatly increased by using an external electric field.
  • this also means that, alternatively or together with the time reduction, the transformation temperature can also be reduced.
  • the layer is an amorphous or polycrystalline silicon layer.
  • the layer may, for example, also be selected from the group of the following materials: SiGe, CuInGaSe, CuInGaS, CdTe.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view through an apparatus for inducing solid-phase crystallization of a silicon layer
  • FIG. 2 is a schematic sectional view through an alternative apparatus for inducing solid phase crystallization of a silicon layer.
  • 3a and 3b are schematic representations showing different correlations between a plasma and a substrate as a function of the distance between the plasma electrode and the substrate;
  • Figures 4a and 4b are schematic representations illustrating different correlations between a plasma and a substrate in response to an electrical bias of a grid interposed between the plasma electrode and the substrate.
  • the device 1 shows a schematic sectional view through a device 1 for inducing solid-phase crystallization of an amorphous or microcrystalline silicon layer 2a on a substrate 2.
  • the device 1 has a vacuum housing 3, which is only indicated in outline, and which defines an elongate process chamber 4 of the flow-through type.
  • the device 1 further comprises a transport mechanism 6, a plasma unit 8, and a heating unit 10 on.
  • a cooling unit may also be provided which forms a temperature control unit together with the heating unit.
  • substrates 2 different substrates and in particular glass substrates with an amorphous or microcrystalline silicon layer 2 a can be treated in the device 1.
  • substrates 2 carrying an amorphous or microcrystalline silicon layer 2a can also be used.
  • the substrate may be at least partially surrounded by a protective element, not shown, which lies in the same plane as the substrate in order to avoid edge effects in the treatment.
  • the protective element essentially serves to virtually enlarge the physical surface of the substrate.
  • the vacuum housing 3 has suitable locks, not shown, for introducing and removing the substrates 2 into the process chamber 4.
  • the process chamber 4 is limited, inter alia, by an upper wall 12 and a lower wall 14.
  • the top wall 12 is constructed of aluminum and treated so as to avoid metal contamination or particles in the process chamber.
  • the top wall 12 has an oblique portion which is angled with respect to the bottom wall 14 and a portion substantially parallel to the bottom wall, as can be clearly seen in FIG.
  • the inclined wall portion is arranged so that the process chamber from left to right - as will be explained in more detail below from an input end to an output end - tapers.
  • the straight area then joins this oblique area.
  • only a straight wall section may be provided, the bevel at the output end or be attached to both ends.
  • the lower wall 14 extends in a straight line and is constructed, for example, of quartz glass in order to be able to conduct electromagnetic radiation, as will be explained in more detail below.
  • a vacuum pump 16 is provided, via which the process chamber 4 can be pumped out.
  • the pump can also be provided at a different location and it can also be provided several.
  • a pyrometer 18 is provided for a temperature measurement of the substrate 2. Instead of a pyrometer but also another temperature measuring device may be provided at another location of the process chamber or directly on the substrate 2, which measures, for example, from above the temperature of the substrate 2. It can also be provided several temperature measuring devices.
  • the process chamber 4 also has at least one gas supply, not shown, via which a gas, in particular a neutral gas can be introduced into the process chamber 4.
  • the transport unit 6 essentially consists of an endless transport belt 20, which is guided circumferentially via a plurality of deflection and / or transport rollers 22.
  • the normal direction of rotation for a treatment of the substrate 2 is in the clockwise direction, but it is also possible to move the conveyor belt in a counterclockwise direction circumferentially.
  • an overhead Transporttrum the conveyor belt 20 is arranged such that it extends straight through the process chamber 4 therethrough.
  • a substrate 2 is moved from left to right through the process chamber 4.
  • the return of the conveyor belt 20 takes place outside the process chamber 4.
  • the conveyor belt 20 consists of a material substantially transparent to electromagnetic radiation.
  • the conveyor belt 20 should be arranged as completely as possible within the vacuum range, but may also be at least partially outside the vacuum range in a suitable arrangement.
  • the transport unit 6, for example also have a different transport mechanism, such as transport rollers or a magnetic guide.
  • the transport unit 6 can optionally be moved up and down as a whole, as indicated by the double arrow A. This makes it possible, the Transport unit 6 and in particular its Transporttrum closer to the upper wall 12 or the lower wall 14 to place, as will be explained in more detail below.
  • the plasma unit 8 is further arranged.
  • the plasma unit 8 consists of a multiplicity of plasma electrodes 24.
  • the plasma electrodes are preferably designed as rod-shaped microwave applicators which have an outer conductor and an inner conductor.
  • the outer conductor is designed so that it allows outcoupling of the microwaves from the intermediate region between the inner and outer conductors in order to form, outside this region, a plasma which, for example, surrounds the rod-shaped plasma electrode in the radial direction.
  • the plasma electrode may be of the type described in WO 2010/015385 A.
  • the microwave applicators are preferably constructed in particular in such a way that microwave radiation can emerge essentially vertically downwards, that is to say in the direction of the lower wall 14.
  • one or more plasma ignition devices may be provided. It is also conceivable to arrange plasma electrodes 24 of different types within the process chamber 4.
  • the structure of the plasma electrodes and the process conditions in the process chamber 4 can be chosen so that a plasma is limited in its extension and does not come into contact with walls of the process chamber.
  • the rod-shaped plasma electrodes 24 each extend perpendicular to the plane of the drawing across the process chamber 4. From left to right, ie from an input end to an output end of the process chamber 4, the plasma electrodes are equally spaced following the contour of the top wall 12. As a result, the plasma electrode 24 closest to the input end of the process chamber 4 is furthest removed from the transport strand of the conveyor belt 20. Towards the center of the process chamber, the plasma electrodes 24 are then arranged closer and closer to the conveyor belt 20, and from the middle they are then arranged in each case at the same distance from the conveyor belt. As a result, the distance between the substrate 2 and the plasma electrodes 24 lying directly above it changes during the movement through the process chamber 24. But it is also possible to arrange the plasma electrodes each at a constant height above the conveyor belt 20.
  • the heating unit 10 consists of a multiplicity of radiation sources 30 which emit electromagnetic radiation for heating the substrate 2 in the direction of the process chamber 4.
  • halogen and / or arc lamps 31 can be used, as they are commonly used, for example, in high-speed heating systems.
  • the lamps 31 may optionally be accommodated in quartz tubes 32 in order to provide insulation against process gases and / or negative pressure conditions in the region of the process chamber 4. This may be particularly useful if the radiation sources are received directly within the process chamber 4. That is not on the lower wall 14 are separated from this.
  • heating lamps can also be arranged above the transport unit 6, for example also between the plasma electrodes 24.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an alternative apparatus 1 for solid phase crystallization of a layer on a substrate 2 according to an alternative embodiment.
  • the same reference numerals will be used as before, if the same or similar elements are described.
  • the device 1 again has a housing, which is shown only very schematically at 3.
  • the housing 3 is in turn filled out as a vacuum housing, and can be pumped off via a vacuum unit, no longer shown, to vacuum pressure.
  • a process chamber 4 is defined within the housing 3.
  • the device 1 further has a substrate support unit 6, a plasma unit 8 and a heating unit 10.
  • the support unit 6 has a substrate support 40, which is rotatably supported by a shaft 42 within the process chamber 4, as shown by the arrow B.
  • the shaft 42 is connected for this purpose with a rotary unit, not shown.
  • the shaft 42 and thus the pad 40 is movable up and down, as shown by the double arrow C.
  • the support level of the support 40 within the process chamber 4 can be adjusted upwards or downwards, as will be explained in more detail below.
  • the plasma unit 8 again consists of a plurality of plasma electrodes 24, which may be of the same type as described above.
  • the plasma electrodes may be slidably supported individually within the process chamber 4 via respective guides 46, as indicated by the double-headed arrow D.
  • the up and down mobility of the support unit 6 could be omitted, but it can also be provided in addition.
  • this makes it possible in combination with the rotation of a substrate 2 by the support unit 6, for example, in a peripheral region of the substrates 2 to provide larger or smaller distances compared to a central region thereof.
  • a protective device may be provided which surrounds the substrate 2 at least partially in its plane in order to avoid edge effects.
  • the protective device may be arranged with respect to the rotation static or rotatable.
  • plasma electrodes 24 and substrate 2 it is also possible between plasma electrodes 24 and substrate 2 to provide a grid of electrically conductive material. This can then be done, for example, via a corresponding tax eranne be subjected to different electrical bias voltages. Both a distance adjustment between the plasma electrode 24 and the substrate 2 as well as the application of a different grating to the above-described grating can influence the interaction between the plasma and the substrate, as will be explained in more detail below. Likewise, the substrate can be additionally electrically biased, so that the effect is thereby further enhanced.
  • the heating unit 0 in turn consists of a plurality of radiation sources 30, which may be arranged parallel or perpendicular to the plasma electrodes 24.
  • the radiation sources each have a lamp, such as an arc or halogen lamp, which is surrounded by a quartz tube 32.
  • the radiation of the radiation sources 30 is able to heat the substrate 2 directly when the support 40 for the radiation of the radiation source 30 is substantially transparent.
  • the support 40 could be constructed, for example, of quartz.
  • the device 1 preferably has at least one temperature measuring unit in order to determine the temperature of the substrate 2.
  • the determined temperature can be forwarded to a control unit, not shown, which can then regulate the heating unit 10 according to a temperature specification accordingly to obtain a predetermined temperature of the substrate, as is known in the art.
  • the substrate 2 is in each case a glass substrate which has a carries an amorphous or microcrystalline silicon layer 2a.
  • silicon layer 2a crystallization is to be induced during the process described below.
  • a neutral gas such as argon or helium or N 2 , H 2 , or a mixture of these is introduced into the process chamber 4, in which a negative pressure prevails. Subsequently, in each case a plasma of the gas is generated in the region of the plasma electrodes 24.
  • the substrate 2 is guided via the conveyor belt 20 from left to right through the process chamber, while a corresponding plasma burns below the respective plasma electrodes 24.
  • the substrate 2 and the silicon layer 2a thereon are heated to a predetermined crystallization temperature, which is for example between 150 and 800 ° C, in particular between 500 and 700 ° C.
  • the temperature depends in part on the layer used and at least partially on the substrate used and its thermal resistance. Compared with a purely thermal crystallization, the crystallization temperature (at constant speed) can be reduced by at least 50 K.
  • silicon or quartz glass also higher temperatures can be used. Even before they reach the region of the plasma electrodes 24, the substrates can be preheated to the crystallization temperature or another temperature via heating elements not shown in more detail.
  • the left-lying plasma electrodes 24, that is to say inlet plasma electrodes 24, are farther from the substrate 2 than the plasma electrodes 24 located on the right in the exit region of the process chamber 4, as it is conveyed through the process chamber.
  • the distance of the plasma electrodes from the substrate surface changes. This results in different electrical Fields on the substrate surface, which can influence the crystallization.
  • the electrical field will initially increase as it passes through the process chamber 4, until it will then reach a substantially constant value.
  • FIGS. 3 a and 3 b show different correlations between a plasma and a substrate 320 as a function of a distance between a rod-shaped plasma electrode 300 and the substrate 320.
  • the rod-shaped plasma electrode 300 is of the type described in WO 201 0/015385 A and having an inner conductor 304 and an outer conductor 306.
  • the outer conductor 306 does not completely surround the inner conductor 304. Rather, the outer conductor 306 sees an opening that enlarges to a free end thereof that faces the substrate 320.
  • 3a and 3b each show a cross section in this coupling-out region of the plasma electrode 300.
  • the plasma electrode 300 is surrounded in each case by a cladding tube 308, such as a quartz tube, which is substantially transparent to microwave radiation.
  • a plasma surrounding the cladding tube 308 is generated, which consists of electrons 310 and ions 314. These essentially form a cloud around the plasma electrode 300, with the electron and ion concentration decreasing with increasing distance.
  • FIGS. 3a and 3b each show a portion of a substrate 320, which consists for example of a glass plate and a silicon layer 324 located thereon.
  • a substrate 320 which consists for example of a glass plate and a silicon layer 324 located thereon.
  • positive Si ions are identified.
  • the plasma electrode is arranged at a distance Di from the surface of the silicon layer 324.
  • the plasma in this arrangement is arranged with respect to the substrate such that a high concentration of the electrons 310 present in the plasma, and ions 314 adjacent to the surface of the silicon layer 324 occurs. Due to the high mobility of the electrons they reach the very fast Surface of the substrate. This results in a large electric field directly on the surface of the silicon layer 324.
  • the plasma electrode is arranged at a greater distance D2 from the surface of the silicon layer 324.
  • the plasma in this arrangement is arranged with respect to the substrate such that substantially no more electrons 310, and ions 314 occur adjacent to the surface of the silicon layer 324. This results in a lower electric field at the surface of the silicon layer 324.
  • the spacing adjustment can thus influence the electric field prevailing on the surface of the silicon layer 324 and thus the crystallization.
  • the crystallization rate can initially be set low and then increased in order to homogenize it.
  • the distance between the substrate 2 and the plasma electrode 24 in the input region is selected, for example, in the range of 4 to 8 cm to initially provide a small electric field.
  • the distance is 1 cm to 4 cm (preferably about 2 cm) in order to provide a strong electric field. The distance is reduced as the substrate 2 moves through the process chamber 4 to about the middle of the process chamber, and then remains substantially constant until the exit.
  • the distance can also be changed via a movement of the conveyor belt 20.
  • the substrate during the movement supply through the process chamber 4 through heated differently, so that it has, for example, in the entrance area a higher temperature than in the exit area or vice versa.
  • the substrate may be maintained at a constant temperature or may be heated or cooled by a cooling device, not shown, if excessive heating by the plasma takes place. As a result, the crystallization processes can be further influenced.
  • the substrate 2 is arranged on the support unit 6 and, while in the area of the respective plasma electrodes 24, a plasma burns is heated to a predetermined crystallization temperature via the heating unit 10 located below. For a uniform heating and a uniform plasma distribution, the substrate 2 is rotated in this case.
  • the distance between the substrate 2 and the plasma electrode may be changed during the crystallization.
  • the distance can be reduced from an initial large distance in the range of, for example, 4 to 8 cm to a small distance in the range of, for example, 2 cm to 4 cm.
  • the distance is varied in a range of 6 to 2 cm.
  • process parameters relating to the plasmas such as the power of the plasma electrodes 24, the gas pressure, a gas inflow as well as a gas composition within the process chamber 4.
  • the electric field can be influenced alternatively to the distance setting or in addition thereto via a grid made of an electrically conductive material.
  • FIGS. 4a and 4b show similar representations to FIGS. 3a and 3b.
  • a respective plasma electrode 300 with inner conductor 304 and outer conductor 306 and a substrate 320 with a silicon layer 324 In contrast to the representation of FIGS. 3a and 3b, however, the distance D between plasma electrode 300 and substrate 320 is the same in FIGS. 4a and 4b.
  • positive silicon ions are again shown.
  • a grid 330 made of electrically conductive material is shown between the plasma electrode 300 and the substrate 320, which can be acted on by a control unit, not shown, with different electrical bias voltages. If the grid is potential-free, it essentially does not affect the plasma, and the situation shown in FIG. 4a results, which leads to high electron and ion concentration on the silicon layer. On the other hand, if the grid is subjected to a positive voltage or grounded, the situation shown in FIG. 4 b results in which only a few electrons and ions reach the surface of the silicon layer 324. In order to influence the flow of electrons to the surface of the substrate 320, the distance of the grid 330 to the surface of the substrate 320 can optionally also be adjusted.
  • the plasma can be pulsed during the process.
  • the gas composition and / or the pressure of the gas can be adjusted during the process.
  • the plasma electrodes 24 and the lamps 31 can each be controlled individually and independently of each other. In particular, it is possible to control their performance by means of mathematical functions, such as, for example, a linear function, an exponential function, a quadratic function or other functions.
  • the plasma electrodes 24 or the arc lamps / halogen lamps 31 can be set as groups or completely independently of each other, if this is predetermined by a corresponding process.
  • the silicon layer may also be associated with a different material than the substrate that supports the Promotes crystallization, such as nickel. This can be applied in a strip-like manner in a known manner in order to promote lateral crystallization, which in turn is further assisted by the thermal treatment and the microwave-induced plasma.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Silizium-Schicht auf einem Substrat beschrieben. Bei dem Verfahren wird die Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt und ein mikrowelleninduzierten Plasmas benachbart zur Schicht erzeugt, um an der Oberfläche der Schicht ein elektrisches Feld zu erzeugen, und um durch dieses elektrische Feld eine Kristallisation der Schicht zu stimulieren.

Description

Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer
amorphen oder polykristallinen Schicht
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht auf einem Substrat. Es ist in unterschiedlichen technischen Gebieten bekannt, polykristalline Siliziumdünnfilme einzusetzen. Hierbei besteht häufig der Wunsch nach möglichst großen Kristalliten, beispielsweise für TFT-Transistoren. In ähnlicher Weise werden auch Kristallite in Schichten gewachsen für thermoelektrische Anwendungen.
Als Ausgangsmaterialien für solche polykristallinen Siliziumdünnfilme dienen unter anderem abgeschiedene oder gesputterte amorphe oder mikrokristalline dotierte oder undotierte Siliziumschichten. Diese können beispielsweise durch CVD, PECVD oder PVD auf Substraten, wie beispielsweise Glassubstraten oder gar auf Plastikfolien hergestellt werden. Für einige Anwendungen werden auch Saphir, Silizium oder andere teurere Materialien als Substrat benutzt. Anstelle von Silizium Filmen sind auch andere amorphe oder polykristalline Filme als Ausgansmaterialien denkbar, wie z.B. SiGe, CulnGaSe, CulnGaS, CdTe, etc. Nachfolgend wird exemplarisch die Erfindung anhand von Silizium- filmen beschrieben.
In der Siliziumschicht kann anschließend ein Kristallit-Wachstum induziert werden, das anschließend als Kristallisation bezeichnet wird. Dabei soll der Begriff Kristallisation sowohl eine ursprüngliche Kristallisation als auch eine Rekristallisation der Si-Schicht umfassen. Hierfür sind unterschiedliche Verfahren bekannt, wie beispielsweise eine thermische Behandlung in einem neutralen Gas. So ist es beispielsweise bekannt, bei Glasplatten (als Substrat) eine Temperaturbehandlung in einem Temperaturbereich von 650° bis 680°C durchzuführen. Bei dieser Temperatur schreitet die Kristallisation jedoch relativ langsam fort. Bei hochwertigeren Substraten können auch höhere Temperaturen eingesetzt werden, wodurch das Wachstum beschleunigt werden kann, aber auch erhöhte Kosten für das Substrat mit sich zieht.
Darüber hinaus ist beispielsweise auch ein über einen Excimerlaser angeregte Kristallisation bekannt, die jedoch eine kostenintensive Laservorrichtung benötigt.
Auch ist eine metallinduzierte laterale Kristallisation bekannt. Hierbei ist es insbesondere bekannt, dass Nickel die Kristallisation durch Diffusion in die Siliziumschicht verbessert. Hierbei werden in der Regel beabstandete Nickelstreifen auf die Siliziumschicht aufgebracht, welche zu einer lateralen Diffusion von Nickel in die Schicht führen, welches die Kristallisation fördert. Aus dem Artikel "Electric field-enhanced metal-induced lateral crystallization and P-channel poly-Si TFTs fabricated by it" von Xiangbin Zeng et al, veröffentlicht im Microelectronics Journal 39 (2008) 1189-1194 ist darüber hinaus beschrieben, dass die metallinduzierte Kristallisation über das Anlegen eines elektrischen Feldes noch weiter verbessert werden kann. Bei diesem Verfahren dienen die Nickelstreifen gleichzeitig als Nickelquelle und als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Festphasen- Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht vorzusehen, das insbesondere die thermisch induzierte Kristallisation verbessert.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Siliziumschicht auf einem Substrat gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstempera- tur erwärmt, und für eine vorbestimmte Zeitdauer auf dieser gehalten. Während des Erwärmungsvorgangs und/oder während des Haltens auf der vorbestimmten Kristallisationstemperatur wird ein Mikrowellenplasma benachbart zur Schicht erzeugt. Ein solches Plasma ist in der Lage, ein starkes elektrostatisches Feld an der Schichtoberfläche aufzubauen, das die Kristallisation der Schicht fördert. Hierdurch kann die Temperatur verringert werden und/oder bei gleicher Temperatur die Kristallisation beschleunigt werden. Insbesondere können gegebenenfalls auch größere Kristallite erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Plasma aus einem neutralen Gas erzeugt, um außerhalb des Kristallisationsvorgangs keine weiteren Reaktionen zu bewirken.
Vorteilhafterweise ist das Plasma ein mikrowellenerregtes Plasma, das mit einer stabförmigen Mikrowellenelektrode mit einem Außenleiter und einem Innenleiter erzeugt wird. Das Mikrowellenplasma kann in besonders geeigneter weise kontrolliert ein starkes elektrostatisches Feld an der Schichtoberfläche aufbauen. Die Mikrowellenelektrode des obigen Typs ermöglicht auf einfache Weise eine einseitige Anordnung der erforderlichen Bauteile. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Abstand zur Mikrowellenelektrode und der Schicht während des Verfahrens verändert, um hierüber das Kristallwachstum zu beeinflussen. Insbesondere wird der Abstand in einem Bereich verändert, bei dem sich primär Elektronen an der Oberfläche der Schicht befinden.
Die Schicht kann auch in Kontakt mit einem anderen Element stehen, welches die Kristallisation fördert. Insbesondere kann die Schicht mit Nickel, insbesondere zwei voneinander beabstandeten Nickelstreifen in Kontakt stehen. Hierdurch kann die Geschwindigkeit der Poly-Si-Rekristallisation oder insbesondere auch der Metall-induzierten Rekristallisation unter Anwendung von einem äußeren elektrischen Feld sehr stark erhöht werden. Gleichzeitig bedeutet das auch, dass alternativ, oder zusammen mit der Zeitreduktion auch die Umwandlungstemperatur reduziert werden kann. Eine schnellere Prozess- führung mit niedrigerer Temperatur und besserer Poly-Si-Qualität ist zu erwarten. Bevorzugt ist die Schicht eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht. Alternativ kann die Schicht beispielsweise auch aus der Gruppe der folgenden Materialien: SiGe, CulnGaSe, CulnGaS, CdTe ausgewählt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer Siliziumschicht;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Vorrichtung zum Induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer Siliziumschicht:
Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat darstellen;
Fig. 4a und 4b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einer elektrischen Vorspannung eines Gitters, das zwischen Plasmaelektrode und Substrat liegt, darstellen.
Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen bezeichnen können.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum induzieren einer Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder mikrokristallinen Siliziumschicht 2a auf einem Substrat 2. Die Vorrichtung 1 besitzt ein nur im Umriss angedeutetes Vakuumgehäuse 3, das eine langgestreckte Prozesskammer 4 des Durchlauftyps definiert. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Transportmechanismus 6, eine Plasmaeinheit 8, sowie eine Heizeinheit 10 auf. Zusätzlich kann auch eine Kühleinheit vorgesehen sein, die gemeinsam mit der Heizeinheit eine Temperiereinheit bildet.
Als Substrate 2 können in der Vorrichtung 1 unterschiedliche Substrate und insbesondere Glassubstrate mit einer amorphen oder mikrokristallinen Siliziumschicht 2a behandelt werden. Natürlich können auch andere Substrate 2 eingesetzt werden, die eine amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht 2a tragen. Während der Beschichtung kann das Substrat von einem nicht dargestellten Schutzelement wenigstens teilweise umgeben sein, das in derselben Ebene wie das Substrat liegt, um Randeffekte bei der Behandlung zu vermeiden. Hierbei dient das Schutzelement im Wesentlichen dazu die physikalische Oberfläche des Substrats virtuell zu vergrößern. Das Vakuumgehäuse 3 besitzt geeignete, nicht gezeigte Schleusen zum Ein- und Ausbringen der Substrate 2 in die Prozesskammer 4.
Die Prozesskammer 4 wird unter anderem durch eine obere Wand 12 sowie eine untere Wand 14 begrenzt. Die obere Wand 12 ist beispielsweise aus Aluminium aufgebaut und derart behandelt, dass Metallverunreinigungen oder Partikel in der Prozesskammer vermieden werden. Die obere Wand 12 besitzt einen schrägen Abschnitt, der bezüglich der unteren Wand 14 abgewinkelt ist, sowie einen sich im Wesentlichen zur unteren Wand parallel erstreckenden Abschnitt, wie in Fig. 1 deutlich zu erkennen ist. Dabei ist der schräge Wandabschnitt so angeordnet, dass sich die Prozesskammer von links nach rechts - wie nachfolgen noch näher erläutert wird von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende - verjüngt. Der gerade Bereich schließt sich dann an diesen schrägen Bereich an. Alternativ kann auch nur ein gerader Wandabschnitt vorgesehen sein, die Abschrägung am Ausgangsende oder an beiden Enden angebracht sein.
Die untere Wand 14 erstreckt sich gradlinig und ist beispielsweise aus Quarzglas aufgebaut, um elektromagnetische Strahlung hindurchleiten zu können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Im Bereich der unteren Wand 14 ist eine Vakuumpumpe 16 vorgesehen, über die die Prozesskammer 4 abgepumpt werden kann. Die Pumpe kann aber auch an einem anderen Ort vorgesehen sein und es können auch mehrere vorgesehen sein. Ferner ist im Bereich der unteren Wand 14, ein Pyrometer 18 für eine Temperaturmessung des Substrats 2 vorgesehen. Statt eines Pyrometers kann aber auch eine andere Temperaturmessvorrichtung an einem anderen Ort der Prozesskammer oder auch direkt am Substrat 2 vorgesehen sein, die zum Beispiel auch von oben her die Temperatur des Substrats 2 misst. Es können auch mehrere Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sein. Die Prozesskammer 4 verfügt darüber hinaus über wenigstens eine nicht gezeigte Gaszuleitung, über die ein Gas, insbesondere ein neutrales Gas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden kann.
Die Transporteinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem Endlostransport- band 20, das über eine Vielzahl von Umlenk- und/oder Transportrollen 22 umlaufend geführt ist. Die normale Umlaufrichtung für eine Behandlung des Substrats 2 ist dabei im Uhrzeigersinn, aber es ist auch möglich das Transportband entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufend zu bewegen. Dabei ist ein oben liegendes Transporttrum des Transportbandes 20 derart angeordnet, dass es sich geradlinig durch die Prozesskammer 4 hindurch erstreckt. Somit wird ein Substrat 2 von links nach rechts durch die Prozesskammer 4 hindurch bewegt. Die Rückführung des Transportbandes 20 erfolgt außerhalb der Prozesskammer 4. Das Transportband 20 besteht aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material. Das Transportband 20 sollte möglichst vollständig innerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sein, kann aber bei einer geeigneten Anordnung auch wenigstens teilweise außerhalb des Vakuumbereichs liegen. Statt eines Transportbandes 20 kann die Transporteinheit 6 beispielsweise auch einen anderen Transportmechanismus, wie beispielsweise Transportrollen oder auch eine Magnetführung aufweisen.
Die Transporteinheit 6 kann optional als Ganzes auf und ab bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil A angezeigt ist. Hierdurch ist es, möglich die Transporteinheit 6 und insbesondere dessen Transporttrum näher an der oberen Wand 12 oder der unteren Wand 14 zu platzieren, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Innerhalb der Prozesskammer 4 ist ferner die Plasmaeinheit 8 angeordnet. Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24. Die Plasmaelektroden sind vorzugsweise als stabförmige Mikrowellenapplikatoren ausgebildet, die einen Außenleiter und einen Innenleiter aufweisen. Der Außenleiter ist so ausgestaltet, dass er eine Auskopplung der Mikrowellen aus dem Zwischenbereich zwischen Innen- und Außenleiter ermöglicht, um Außerhalb dieses Bereichs ein Plasma zu bilden, dass beispielsweise die stabförmige Plasmaelektrode in Radialrichtung umgibt. Insbesondere kann die Plasmaelektrode des Typs sein, wie er in der WO 2010/015385 A beschrieben ist.
Dabei sind die Mikrowellenapplikatoren vorzugsweise insbesondere derart aufgebaut, dass Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen senkrecht nach unten, das heißt in Richtung der unteren Wand 14 austreten können. Zusätzlich können eine oder mehrere Plasmazündvorrichtung(en) vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, Plasmaelektroden 24 unterschiedlichen Typs innerhalb der Prozesskammer 4 anzuordnen.
Der Aufbau der Plasmaelektroden und die Prozessbedingungen in der Prozesskammer 4 können so gewählt werden, dass ein Plasma in seiner Aus- dehnung begrenzt wird und nicht mit Wänden der Prozesskammer in Berührung kommt.
Die stabförmigen Plasmaelektroden 24 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Zeichnungsebene quer durch die Prozesskammer 4. Von links nach rechts, d.h. von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende der Prozesskammer 4 sind die Plasmaelektroden jeweils gleichmäßig beabstandet der Kontur der oberen Wand 12 folgend angeordnet. Hierdurch ist die dem Eingangsende der Prozesskammer 4 am nächsten liegende Plasmaelektrode 24 am weitesten vom Transporttrum des Transportbandes 20 entfernt. Zur Mitte der Prozesskammer hin sind die Plasmaelektroden 24 dann immer näher zum Transportband 20 hin angeordnet, und ab der Mitte sind sie dann jeweils mit gleichem Abstand zum Transportband hin angeordnet. Hierdurch verändert sich der Abstand zwischen Substrat 2 und unmittelbar darüber liegender Plasmaelektroden 24 während der Bewegung durch die Prozesskammer 24 hindurch. Es ist aber auch möglich die Plasmaelektroden jeweils auf einer gleichbleibenden Höhe über dem Transportband 20 anzuordnen.
Die Heizeinheit 10 besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die elektromagnetische Strahlung zum Heizen des Substrats 2 in Richtung der Prozesskammer 4 emittieren. Hierzu lassen sich bevorzugt Halogen und/oder Bogenlampen 31 einsetzen, wie sie beispielsweise auch üblicherweise in Schnellheizanlagen eingesetzt werden. Die Lampen 31 können optional in Quarzröhren 32 aufgenommen sein, um eine Isolierung gegenüber Prozessgasen und/oder Unterdruckverhältnissen im Bereich der Prozesskammer 4 vorzusehen. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, wenn die Strahlungsquellen direkt innerhalb der Prozesskammer 4 aufgenommen sind. Das heißt nicht über die untere Wand 14 von dieser getrennt sind. Alternativ oder auch zusätzlich können auch Heizlampen oberhalb der Transporteinheit 6 angeordnet sein, zum Beispiel auch zwischen den Plasmaelektroden 24.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Vorrichtung 1 zur Festphasenkristallisation einer Schicht auf einem Substrat 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
Die Vorrichtung 1 besitzt wieder ein Gehäuse, das nur sehr schematisch bei 3 dargestellt ist. Das Gehäuse 3 ist wiederum als ein Vakuumgehäuse ausgefüllt, und kann über eine nicht mehr dargestellte Vakuumeinheit auf Vakuumdruck abgepumpt werden. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 6, eine Plasmaeinheit 8 sowie eine Heizeinheit 10. Die Trageinheit 6 besitzt eine Substratauflage 40, die über eine Welle 42 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil B dargestellt ist. Die Welle 42 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 42 und somit die Auflage 40 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 40 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Plasmaeinheit 8 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24, die desselben Typs sein können, wie zuvor beschrieben. Die Plasmaelektroden können optional über jeweilige Führungen 46 individuell auf und ab verschiebbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen sein, wie durch den Doppelpfeil D angezeigt ist. In einem solchen Fall könnte die Auf- und Ab- Bewegbarkeit der Trageinheit 6 entfallen, sie kann aber auch zusätzlich vorgesehen werden. Hierdurch sind lokale Änderungen des Abstands zwischen Plasmaelektrode 24 und dem Substrat 2 möglich. Insbesondere ist es hierdurch möglich in Kombination mit der Rotation eines Substrats 2 durch die Trageinheit 6 zum Beispiel in einem Randbereich der Substrate 2 größere oder kleinere Abstände im Vergleich zu einem Mittelbereich davon vorzusehen. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Plasmaelektroden 24 und/oder die Lampen 31 über die Abmessungen des Substrats 2 hinweg gehen. Auch hier kann eine Schutzvorrichtung vorgesehen sein, welche das Substrat 2 wenigstens teilweise in seiner Ebene umgibt, um Randeffekte zu vermeiden. Die Schutzvorrichtung kann hinsichtlich der Rotation statisch oder auch rotierbar angeordnet sein.
Alternativ oder auch zusätzlich zu den dargestellten Stellvorrichtungen für das Substrat 2 und oder die Plasmaelektroden 24 ist es auch möglich zwischen Plasmaelektroden 24 und Substrat 2 ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorzusehen. Dies kann dann beispielsweise über eine entsprechend Steu- ereinheit mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen beaufschlagt werden. Sowohl eine Abstandeinstellung zwischen Plasmaelektrode 24 und Substrat 2 als auch eine Beaufschlagung eines oben beschriebenen Gitters mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen kann die Wechselbeziehung zwischen Plasma und Substrat beeinflussen, wie nachfolgend näher erläutert wird. Ebenso kann das Substrat zusätzlich elektrisch vorgespannt werden, so dass der Effekt dadurch noch weiter verstärkt wird.
Die Heizeinheit 0 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die parallel oder auch senkrecht zu den Plasmaelektroden 24 angeordnet sein können. Die Strahlungsquellen weisen jeweils eine Lampe, wie beispielsweise eine Bogen- oder Halogenlampe auf, die von einer Quarzröhre 32 umgeben ist. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 40 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 40 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 40 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 40 erwärmen, die dann das Substrat 2 erwärmen würde. Alternativ könnte aber zum Beispiel euch eine Widerstandsheizung in der Auflage 40 angeordnet sein, und die Strahlungsquellen könnten optional entfallen.
Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise wenigstens eine Temperaturmesseinheit auf, um die Temperatur des Substrats 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann an eine nicht dargestellte Steuereinheit weitergeleitet werden, die dann anhand einer Temperaturvorgabe die Heizeinheit 10 entsprechend regeln kann, um eine vorbestimmte Temperatur des Substrats zu erhalten, wie es in der Technik bekannt ist.
Der Betrieb der Vorrichtung gemäß der Figuren 1 und 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass das Substrat 2 jeweils ein Glassubstrat ist, das ei- ne amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht 2a trägt. In der Siliziumschicht 2a soll während des nachfolgend beschriebenen Prozesses eine Kristallisation induziert werden.
Hierzu wird in die Prozesskammer 4, in der ein Unterdruck herrscht ein neutrales Gas, wie beispielsweise Argon oder Helium oder auch N2, H2, oder eine Mischung dieser eingeleitet. Anschließend wird im Bereich der Plasmaelektroden 24 jeweils ein Plasma des Gases erzeugt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird das Substrat 2 über das Transportband 20 von links nach rechts durch die Prozesskammer hindurch geleitet, während unterhalb der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein entsprechendes Plasma brennt. Über die Heizeinheit 10 wird das Substrat 2 und die darauf befindliche Siliziumschicht 2a auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt, die beispielsweise zwischen 150 und 800°C, insbesondere zwischen 500 und 700°C liegt. Dabei ist die Temperatur teilweise von der verwendeten Schicht und wenigstens teilweise von dem verwendeten Substrat und dessen thermischer Beständigkeit abhängig. Verglichen mit einer rein thermischen Kristallisation kann die Kristallisationstemperatur (bei gleichbleibender Geschwindigkeit) um wenigstens 50 K verringert werden. Für Substrate aus Saphir, Silizium oder auch Quarzglas können auch höhere Temperaturen verwendet werden. Die Substrate können auch schon bevor sie in den Bereich der Plasmaelektroden 24 gelangen über nicht näher dargestellte Heizelemente auf die Kristallisationstemperatur oder eine andere Temperatur vorgeheizt sein.
Wie zu erkennen ist, sind die links liegenden Plasmaelektroden 24, das heißt im Eingangsbereich liegenden Plasmaelektroden 24 weiter von dem Substrat 2 entfernt, als die rechts, das heißt im Ausgangsbereich der Prozesskammer 4 liegenden Plasmaelektroden 24, wenn es durch die Prozesskammer hindurch gefördert wird. Während das Substrat somit durch die Prozesskammer 4 hindurch befördert wird, verändert sich der Abstand der Plasmaelektroden zur Substratoberfläche. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche elektrische Felder auf der Substratoberfläche, welche die Kristallisation beeinflussen können. Insbesondere wird das elektrische Feld beim Durchlauf durch die Prozesskammer 4 zunächst ansteigen, bis es dann einen im Wesentlichen konstanten Wert erreichen wird.
Diese abstandsbedingten Einflüsse werden anhand der Fig. 3a und 3b näher erläutert, die unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat 320 in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen einer stabförmigen Plasmaelektrode 300 und dem Substrat 320 zeigen. Die stab- förmige Plasmaelektrode 300 ist des Typs der in der WO 201 0/015385 A beschrieben ist und die einen Innenleiter 304 und einen Außenleiter 306 aufweisen. In einem Mikrowellenauskopplungsbereich umgibt der Außenleiter 306 den Innenleiter 304 nicht vollständig. Vielmehr sieht der Außenleiter 306 eine sich zu einem freien Ende desselben vergrößernde Öffnung, die zum Substrat 320 weist, auf. Fig. 3a und 3b zeigen jeweils einen Querschnitt in diesem Auskopplungsbereich der Plasmaelektrode 300. Die Plasmaelektrode 300 ist jeweils von einem für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Hüllrohr 308 wie beispielweise einem Quarzrohr umgeben. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Plasmaelektrode 300 wird ein das Hüllrohr 308 radial umgebendes Plasma erzeugt, das aus Elektronen 310 und Ionen 314 besteht. Diese bilden im Wesentlichen eine Wolke um die Plasmaelektrode 300 herum, wobei die Elektronen- und lonenkonzentration mit zunehmendem Abstand abnimmt.
Ferner zeigen die Fig. 3a und 3b jeweils einen Abschnitt eines Substrats 320, das zum Beispiel aus einer Glasplatte besteht und einer darauf befindlichen Siliziumschicht 324. Bei 326 sind positive Si-Ionen gekennzeichnet. Bei der Darstellung gemäß Fig. 3a ist die Plasmaelektrode mit einem Abstand Di zur Oberfläche der Siliziumschicht 324 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass eine hohe Konzentration der im Plasma vorhandenen Elektronen 310, und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Siliziumschicht 324 auftritt. Durch die hohe Beweglichkeit der Elektronen gelangen diese sehr schnell an die Oberfläche des Substrates. Hierdurch ergibt sich ein großes elektrisches Feld direkt an der Oberfläche der Siliziumschicht 324.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 3b ist die Plasmaelektrode mit einem größeren Abstand D2 zur Oberfläche der Siliziumschicht 324 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass im Wesentlichen kaum noch Elektronen 310, und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Siliziumschicht 324 auftreten. Hierdurch ergibt sich geringeres elektrisches Feld an der Oberfläche der Siliziumschicht 324.
Wie der Fachmann erkennen kann, kann die Abstandseinstellung somit das an der Oberfläche der Siliziumschicht 324 herrschende elektrische Feld und somit die Kristallisation beeinflussen. Insbesondere kann die Kristallisationsrate zunächst gering eingestellt und anschließend erhöht werden, um sie zu homogenisieren.
Bei der oben genannten Vorrichtung ist daher der Abstand zwischen Substrat 2 und Plasmaelektrode 24 im Eingangsbereich beispielsweise im Bereich von 4 bis 8 cm gewählt, um zunächst ein kleines elektrisches Feld vorzusehen. Im Ausgangbereich beträgt der Abstand hingegen beispielsweise 1 cm bis 4 cm (vorzugsweise ungefähr 2 cm), um hier ein starkes elektrisches Feld vorzusehen. Der Abstand wird bei der Bewegung des Substrats 2 durch die Prozesskammer 4 hindurch bis ungefähr zur Mitte der Prozesskammer hin verringert, und bleibt dann bis zum Ausgang im Wesentlichen konstant. Gegebenenfalls kann der Abstand auch noch über eine Bewegung des Transportbandes 20 verändert werden.
Über entsprechende Gaseinleitung können im Bereich der jeweiligen Plasmen unterhalb der Plasmaelektroden 24, die einander natürlich überlappen können, unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Die Plasmen können aber auch durch geeignete Trennelemente, wie zum Beispiel Glasplatten voneinander getrennt werden. Auch ist es möglich über die Heizeinheit 10 das Substrat während der Bewe- gung durch die Prozesskammer 4 hindurch unterschiedlich aufzuheizen, so dass es beispielsweise im Eingangbereich eine höhere Temperatur besitzt als im Ausgangbereich oder umgekehrt. Das Substrat kann auf einer konstanten Temperatur gehalten werden oder auch geheizt oder durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung gekühlt werden, sofern eine übermäßige Aufheizung durch das Plasma stattfindet. Hierdurch lassen sich die Kristallisationsprozes- se weiter beeinflussen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist das Substrat 2 auf der Trageinheit 6 angeordnet und wird während im Bereich der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma brennt über die unten liegende Heizeinheit 10 auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur erwärmt. Für eine gleichmäßige Erwärmung und eine gleichmäßige Plasmaverteilung wird das Substrat 2 hierbei rotiert.
Der Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem Plasmaelektroden kann während der Kristallisation verändert werden. Insbesondere kann der Abstand ausgehend von einem anfänglichen großen Abstand im Bereich von beispielsweise von 4 bis 8 cm auf einen kleinen Abstand im Bereich von beispielsweise 2 cm bis 4 cm verringert werden. Vorzugsweise wird der Abstand in einem Bereich von 6 bis 2 cm variiert. Während der Abstandsänderung ist es möglich zusätzlich unterschiedliche Prozessparameter betreffend die Plasmen, wie beispielsweise die Leistung der Plasmaelektroden 24, den Gasdruck, einen Gaszufluss als auch eine Gaszusammensetzung innerhalb der Prozesskammer 4 einzustellen.
Hierdurch lässt sich wiederum das elektrische Feld während der Kristallisation verändern und damit Einfluss auf die Kristallisation nehmen.
Das elektrische Feld kann alternativ zur Abstandseinstellung oder auch zusätzlich hierzu über ein Gitter aus einem elektrisch leitenden Material beein- flusst werden. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren 4a und 4b, die ähnliche Darstellungen wie die Figuren 3a und 3b zeigen, näher erläutert. Insbesondere sind wiederum jeweils eine Plasmaelektrode 300 mit Innenleiter 304 und Außenleiter 306 und ein Substrat 320 mit einer Siliziumschicht 324 dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung der Figuren 3a und 3b ist der Abstand D zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jedoch in den Figuren 4a und 4b gleich.
Die Plasmaelektrode 300 umgebend ist jeweils ein Plasma aus Elektronen 310 und Ionen 314 dargestellt. Bei 326 sind wiederum positive Silizium Ionen dargestellt. Ferner ist zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jeweils ein Gitter 330 aus elektrisch leitendem Material dargestellt, das über eine nicht näher dargestellte Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrische Vorspannungen beaufschlagt werden kann. Wenn das Gitter potentialfrei ist, dann beeinflusst es das Plasma im Wesentlichen nicht und es ergibt sich die in Fig. 4a gezeigt Situation, die zu einer hohen Elektronen und lonenkon- zentration auf der Siliziumschicht führt. Wenn das Gitter hingegen mit einer positiven Spannung beaufschlagt oder geerdet wird, dann ergibt sich die in Fig. 4b gezeigte Situation in der primär nur wenige Elektronen und Ionen die Oberfläche der Siliziumschicht 324 erreichen. Um den Elektronenfluss zur Oberfläche des Substrats 320 zu beeinflussen kann auch optional der Abstand des Gitters 330 zur Oberfläche des Substrats 320 verstellt werden kann.
Das Plasma kann während des Prozesses gepulst betrieben werden. Die Gaszusammensetzung und/oder der Druck des Gases kann während des Prozesses angepasst werden. Die Plasmaelektroden 24 sowie die Lampen 31 können jeweils einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden. Insbesondere ist es möglich, sie anhand mathematischer Funktionen, wie beispielsweise einer Linearfunktion, einer Exponentialfunktion, einer Quadratfunktion oder einer sonstigen Funktionen kontrolliert in ihrer Leistung zu steuern. Die Plasmaelektroden 24 oder auch die Bogenlampen/Halogenlampen 31 können dabei als Gruppen oder auch völlig unabhängig voneinander eingestellt werden, wenn dies durch einen entsprechenden Prozess vorgegeben ist.
Obwohl dies nicht näher dargestellt ist, kann die Siliziumschicht auch noch mit einem anderen Material als dem des Substrats in Verbindung stehen, das die Kristallisation fördert, wie zum Beispiel Nickel. Diese kann in bekannter Weise streifenförmig aufgebracht sein, um eine seitliche Kristallisation zu fördern, die wiederum durch die thermische Behandlung und das mikrowelleninduzierte Plasma weiter unterstützt wird.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Festphasen-Kristallisation einer amorphen oder polykristallinen Schicht, insbesondere einer Silizium-Schicht auf einem Substrat mit folgenden Schritten:
Erwärmen der Schicht auf eine vorbestimmte Kristallisationstemperatur; und
Erzeugen eines mikrowelleninduzierten Plasmas benachbart zur Schicht, um an der Oberfläche der Schicht ein elektrisches Feld zu erzeugen, und um durch dieses elektrische Feld eine Kristallisation der Schicht zu stimulieren.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma aus einem neutralen Gas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mit einer stabförmigen Mikrowellenelektrode mit Außenleiter und Innenleiter erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abstand zwischen der Mikrowellenelektrode und der Schicht während des Verfahrens verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das an der Oberfläche der Schicht erzeugte elektrische Feld während der Behandlung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das elektrische Feld über eine Änderung des Abstands zwischen der Mikrowellenelektrode und dem Substrat und/oder eine an ein zwischen Mikrowellenelektrode und Substrat befindliches elektrisch leitendes Gitter angelegte Spannung verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht in Kontakt mit einem anderen Element, insbesondere Nickel, steht. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Kristallisationstemperatur im Bereich von 150° bis 800 °C und insbesondere im Bereich von 500° bis 700°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zusammensetzung eines das Plasma bildenden Gases und/oder der Druck desselben während des Verfahrens verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht eine Siliziumschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden Materialien: SiGe, CulnGaSe, Cu- InGaS, CdTe.
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