WO2015180759A1 - Verfahren zum kristallisieren eines materials, halbleitermodul und bestrahlungsanlage - Google Patents
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Abstract
Erläutert wird unter anderem ein Verfahren zum Kristallisieren eines Materials: - wobei ein erster Strahl (12a) mit mindestens einer Strahlungsquelle erzeugt wird, - wobei ein zweiter Strahl (12b) mit mindestens einer weiteren Strahlungsquelle oder mit der mindestens einen Strahlungsquelle erzeugt wird, - wobei der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) auf ein zu kristallisierendes Material derart gerichtet werden, dass sich der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) überlappen (U), wobei der erste Strahl (12a) ein Strahl mit linienförmigem (15a) Intensitätsprofil (I) ist, und wobei eine Linie (15a) größter Intensität (I) des ersten Strahls (12a) zu einer relativen Bewegungsrichtung (16) zwischen dem ersten Strahl (12a) und dem zu kristallisierendem Material einen Winkel (W1) bildet, der im Bereich von 91 Winkelgrad bis 165 Winkelgrad oder im Bereich von 100 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad liegt.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Kristallisieren eines Materials, Halbleitermo¬ dul und Bestrahlungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren eines Materials, insbesondere eines Halbleitermaterials. Es geht insbesondere um die Erzeugung von möglichst einkristal¬ linem Material bzw. von möglichst monokristallinem Material auf anderem Wege als bisher. Bisher werden bspw. bei Halbleitermaterial sogenannte Wafer oder sogenannte Halbleiterschei¬ ben aus einkristallinem Material verwendet. Die Wafer haben Durchmesser bis 30 Zentimeter oder größer. Die Dicke eines Wafers kann in der Mikroelektronik bspw. größer als 0,5 Mil- limeter sein und in der Solartechnik bspw. größer als 50
Mikrometer. Die Wafer werden bspw. durch eines der folgenden Verfahren, vorzugsweise gemäß einem Industriestandard, herge¬ stellt:
- Tiegelziehverfahren nach Czochralzky,
- Zonenziehverfahren (FZ Floating Zone) , und
- Ingot Polysiliziumherstellung .
Diese Verfahren sind sehr energieintensiv und fertigungsauf- wändig und führen zu einem beachtlichen Verschnitt, das heißt zu Material, das am Ende nicht verwendet werden kann.
Auf Substraten, die keine einkristallinen Wafer sind, wurden bisher nur vergleichsweise kleine Einkristalle erzeugt, ins¬ besondere nur im Forschungsbereich und nicht in einer indus- triellen Fertigung.
Einkristallines Halbleitermaterial hat sehr gute elektrische Eigenschaften und kann bspw. in Solarmodulen oder in Schaltelementen integrierter Schaltkreise genutzt werden. Je größer die einkristallinen Körner in einem polykristallinen Halbleitermaterial sind, um so mehr nähern sich die elektrischen
Eigenschaften des polykristallinen Halbleitermaterials dem von monokristallinem bzw. von einkristallinem Material an.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren eines Materials:
- wobei ein erster Strahl mit mindestens einer Strahlungs¬ quelle erzeugt wird,
- wobei ein zweiter Strahl mit mindestens einer weiteren Strahlungsquelle oder mit der mindestens einen Strahlungs- quelle erzeugt wird,
- wobei der erste Strahl und der zweite Strahl auf ein zu kristallisierendes Material derart gerichtet werden, dass sich der erste Strahl und der zweite Strahl auf dem zu kristallisierenden Material überlappen,
wobei der erste Strahl ein Strahl mit linienförmigem Intensitätsprofil ist,
und wobei eine Linie größter Intensität des ersten Strahls zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem ersten Strahl und dem zu kristallisierendem Material einen Winkel bildet, der im Bereich von 91 Winkelgrad bis 165 Winkelgrad oder im Bereich von 105 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad liegt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Halbleitermodul, das mit diesem Verfahren hergestellt worden ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungsanlage, insbe¬ sondere zum Durchführen des oben genannten Verfahrens:
- vorzugsweise mit einer Transportvorrichtung für Halbleitermodule, die eine Größe von mindestens einem halben Quadratme- ter, von mindestens einem Quadratmeter oder von mindestens zwei Quadratmetern haben,
- mit einer ersten Bestrahlvorrichtung zum Bestrahlen des Halbleitermoduls oder eines Halbleitermoduls, und
- mit einer zweiten Bestrahlvorrichtung zum gleichzeitigen Bestrahlen desselben Halbleitermoduls.
Es ist Aufgabe von Weiterbildungen der Erfindung ein Verfahren zum Kristallisieren eines Materials anzugeben, insbesondere ein Verfahren mit dem möglichst einkristallines Material auf einfache Art hergestellt werden kann. Außerdem sollen ein zugehöriges Halbleitermodul und eine zugehörige Bestrahlungs¬ anlage angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Bezüglich des Halbleitermoduls und der Bestrahlungsanlage wird die Aufgabe durch das Halbleitermodul nach dem neben geordneten Anspruch bzw. durch die Bestrahlungsanlage nach dem weiteren neben geordneten Anspruch gelöst. Es gelten auch für das Halbleitermodul und die Bestrahlungsanlage die Unter- ansprüche des Verfahrens.
Es wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass es zahlreiche Einflussfaktoren gibt, die der Bildung von möglichst großen Einkristallen entgegen wirken, z.B.:
- ein unzureichend ausgeprägtes Temperaturminimum,
- mehrere Temperaturminima,
- Teilabschattung der Laserstrahlen durch Partikel in der Luft,
- Nukleation an Fremdpartikeln,
- Unterbrechung der Kristallisation durch Blasen, Entnetzen (Dewetting) usw.
Deshalb werden hier mehrere Temperaturminima beseitigt. Es kann selbst unter Bedingungen, die als Grauraum bezeichnet werden, d.h. mehr als bspw. 5000 Partikel oder mehr als 10000 Partikel pro Kubikmeter Luft, gelingen, erheblich größere Einkristalle zu erzeugen als bisher, insbesondere im indus¬ triellen Maßstab. Das Verfahren kann aber natürlich auch unter Reinraumbedingungen durchgeführt werden.
Bei einem Verfahren zum Kristallisieren eines Materials kann folgendes ausgeführt werden:
- wobei ein erster Strahl mit mindestens einer Strahlungs¬ quelle erzeugt wird,
- wobei ein zweiter Strahl mit mindestens einer weiteren Strahlungsquelle oder mit der mindestens einen Strahlungs¬ quelle erzeugt wird,
- wobei der erste Strahl und der zweite Strahl auf ein zu kristallisierendes Material derart gerichtet werden, dass sich der erste Strahl und der zweite Strahl auf dem zu kris¬ tallisierenden Material überlappen,
wobei der erste Strahl ein Strahl mit linienförmigem Intensitätsprofil ist,
und wobei eine Linie größter Intensität des ersten Strahls zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem ersten Strahl und dem zu kristallisierendem Material einen Winkel bildet, der im Bereich von 91 Winkelgrad bis 165 Winkelgrad oder im Bereich von 105 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad liegt. Auch der zweite Strahl kann ein Strahl mit linienförmigem
Intensitätsprofil sein, wobei eine Linie größter Intensität des zweiten Strahls zu einer relativen Bewegungsrichtung zwischen dem zweiten Strahl und dem zu kristallisierendem Material einen Winkel bildet, der im Bereich von 91 Winkel- grad bis 165 Winkelgrad oder im Bereich von 105 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad liegt.
Durch bspw. empirisches Ermitteln des geeigneten Überlappungsgrades können optimale Bedingungen für die Kristallisa- tion erzeugt werden, insbesondere lässt sich über den Überlappungsgrad das Temperaturprofil auf einer Kristallisie¬ rungslinie sowie auch der Verlauf der Kristallisierungslinie beeinflussen. Es kann bspw. derjenige Überlappungsgrad ver¬ wendet werden, der zu möglichst großen Einkristallen und/oder zu Einkristallen mit möglichst wenigen Kristallfehlern führt.
Wenn die Überlappung zu groß ist, kann es vorkommen, dass ein Temperaturmaximum entsteht und kein Temperaturminimum. Das kann zu einem Entnetzen (Dewetting) des Substrats vom zu kristallisierenden Material, z.B. Halbleitermaterial, führen. Wenn die Überlappung zu klein ist, kann die Energie im Tempe¬ raturminimum zu gering sein, um die Schicht komplett aufzu¬ schmelzen, was zu kleinen Kristallen führen kann. Zwischen diesen beiden Zuständen kann man optimieren, bspw. hinsichtlich der Kristallgrößen bzw. Kristallbreiten.
Die beiden Strahlen können über Strahlteiler aus einem Strahl bzw. einer Strahlgruppe oder aus separaten Strahlungsquellen erzeugt werden. Die Strahlungsintensität kann der Bestrahlungsstärke entspre¬ chen und die Einheit Watt pro Quadratmeter haben, d.h. einer Energie pro Zeiteinheit und Fläche.
Die Strahlungsintensität bzw. die Bestrahlungsstärke kann bspw. mit CCD (Charged Coupled Device) Sensor ermittelt wer¬ den. Es ist auch üblich für die Strahlungsintensität keine Einheit anzugeben, insbesondere wenn ein Strahlungsintensi¬ tätsprofil angegeben wird, bei dem es um die relativen Werte bspw. an verschiedenen Orten des Strahls geht, d.h. wie sich diese Werte zueinander und nicht zu einer SI (System Interna¬ tional) verhalten. In diesem Zusammenhang wird der Begriff "a.u." (arbitrary unit) als Maßeinheit verwendet.
Es gibt eine Vielzahl kommerzieller Geräte zum Ermitteln der Strahlungsintensität. Diese Geräte werden als Strahlungspro- filer bezeichnet, z.B. als Laserstrahlprofiler .
Üblicherweise kann eine Relativbewegung zwischen den Strahlen und einem Trägersubstrat/Modul stattfinden, auf dem sich das zu kristallisierende Material befindet. So kann das Träger¬ substrat bewegt werden und die Strahlerzeugungsvorrichtungen ruhen. Alternativ werden die Strahlerzeugungsvorrichtungen
bei ruhendem Modul bewegt. Auch eine Bewegung von Modul und Strahlerzeugungsvorrichtungen ist möglich. Weiterhin kommt eine bewegte Strahlführung bei ruhenden Strahlerzeugungsvorrichtungen in Betracht.
Die beiden Strahlen können dabei ständig unverändert einander überlappen .
Nachdem das Material, insbesondere ein Halbleitermaterial, durch die Strahlen verflüssigt worden ist, kommt es an derje¬ nigen Stelle, die die niedrigste Temperatur hat, zu einem Kristallisieren. Die Nukleationsrate hat eine starke Abhän¬ gigkeit von der Temperatur, insbesondere in einer unterkühlten Schmelze, d.h. unterhalb der Schmelztemperatur. Die Kris- tallisationsfront wird sich in Richtung des Temperaturgra¬ dienten bewegen. Vermieden werden sollen deswegen mehrere Stellen mit einem Temperaturminimum.
Durch eine geeignete Abstimmung der Form der Kristallisie- rungsgrenze und/oder des Temperaturgradienten entlang der Kristallisierungsgrenze können große Einkristalle erhalten werden, was unten näher erläutert ist. Dies Abstimmung kann vorzugsweise über die Einstellung des Überlappungsgrades der beiden Strahlen und/oder des Winkels zwischen den Strahlen und der relativen Bewegungsrichtung erfolgen.
Die beiden Strahlen können entlang einer Strecke auf dem Modul bzw. relativ zum Modul geführt werden, die bspw. entlang einer geraden Linie verläuft, d.h. einer Geraden.
Die Kristallisation kann eine Erstkristallisation sein, bspw. bei einem amorphen Halbleitermaterial. Alternativ kann die Kristallisation aber auch eine Rekristallisation sein, d.h. z.B. von mikrokristallin bzw. polykristallin zu möglichst großen Einkristallen.
Das Intensitätsminimum kann einen Wert im Bereich von 50 Prozent bis 90 oder 95 Prozent oder im Bereich von 60 Prozent bis 90 oder 95 Prozent bezogen auf ein Intensitätsmaximum des ersten Strahls haben. Damit kann an einer definierten Stelle ein Temperaturminimum erzeugt werden, an dem die Kristallisation einsetzt.
Wichtig dabei kann sein, dass das Intensitätsminimum nicht die Energie unterschreitet, die erforderlich ist, um die zu kristallisierende Schicht aufzuschmelzen, weil dies erforder¬ lich ist, um die großen Kristalle zu erzeugen. Wie weit das Minimum unter dem Maximum liegen darf, kann von mehreren Faktoren abhängen:
- Art und/oder Schichtdicke der Barriereschicht,
- Art und/oder Schichtdicke einer optionalen Abdeckschicht ,
- Strahltyp,
- Temperatur des Substrats, usw.
Der erste Strahl kann ein Strahl mit linienförmigem Intensi- tätsprofil sein. In einem Querschnitt im Winkel von 90 Win¬ kelgrad zur Ausbreitungsrichtung des ersten Strahls kann die Länge des ersten Strahls mindestens 100 Mal, mindestens 1000 Mal oder mindestens 10000 Mal so lang wie die Breite des ersten Strahls in diesem Querschnitt sein. Der zweite Strahl kann ebenfalls ein Strahl mit linienförmigem Intensitätspro¬ fil sein. In einem Querschnitt des zweiten Strahls, der im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des zweiten Strahls liegt, kann die Länge des zweiten Strahls mindestens 100 Mal, mindestens 1000 Mal oder mindestens 10000 Mal so lang wie die Breite des zweiten Strahls in diesem Querschnitt sein .
Der genannte Querschnitt kann insbesondere am zu kristalli¬ sierenden Material liegen. Bei den Längen- und Breitenangaben kann bspw. auf die sogenannte FWHM (Füll Width Half Maximum) Bezug genommen werden. Aber auch andere Definition sind möglich, bspw. D4sigma nach ISO (International Standardization
Organization) 11146-1:2005 und ISO 11146-1:2005 im Fall von Laserstrahlen.
Die Abweichung von einem Intensitätsmaximum kann innerhalb eines homogenen Abschnitts der Linie kleiner als mindestens 5 Prozent oder kleiner als mindestens 2,5 Prozent sein, insbe¬ sondere in dem genannten Bereich des Verhältnisses von Länge zu Breite. Derartige Strahlen können mit käuflichen Strahlerzeugungsvorrichtungen im Falle von Laserstrahlen erzeugt werden, vgl. bspw. Produkte der LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH,
Deutschland, oder vergleichbare Produkte anderer Hersteller. Es können auf Grund des großen Verhältnisses von Länge zu Breite große Flächen des Materials in einem Durchlauf kris¬ tallisiert werden, was eine industrielle Fertigung erlaubt.
Der erste Strahl kann in einem Querschnitt im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des ersten Strahls eine Länge von mindestens 1 Zentimeter, mindestens 10 Zentimetern oder mindestens 30 Zentimetern haben. Ebenso kann der zweite Strahl in einem Querschnitt im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des zweiten Strahls eine Länge von mindestens 1 Zentimeter, mindestens 10 Zentimetern oder mindes- tens 30 Zentimetern haben.
Der Querschnitt kann wiederum insbesondere am zu kristalli¬ sierenden Material betrachtet werden. Bei der Länge und Brei¬ te kann bspw. wieder auf FWHM (Füll Width Half Maximum) Bezug genommen werden, d.h. auf die volle Breite bei der Hälfte des Intensitätsmaximums. Aber auch andere Definition für die Länge bzw. die Breite sind möglich, bspw. D4sigma nach ISO (International Standardization Organization) 11146-1:2005 und ISO 11146-1:2005 im Fall von Laserstrahlen.
Die Abweichung von einem Intensitätsmaximum kann innerhalb eines homogenen Abschnitts der Linie kleiner als mindestens
10 Prozent oder kleiner als mindestens 5 Prozent sein, insbe¬ sondere auf den genannten Längen.
Somit können wieder große Flächen mit einem Bestrahlungs¬ durchgang kristallisiert werden, was eine industrielle Ferti¬ gung erlaubt.
Eine Linie größter Intensität des ersten Strahls und eine Linie größter Intensität des zweiten Strahls können einen Winkel einschließen, der im Bereich von 30 Winkelgrad bis 179 Winkelgrad oder im Bereich von 90 Winkelgrad bis 160 Winkel¬ grad liegt. Der Winkel kann einerseits so groß sein, dass der Temperaturgradient senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung ausreicht, um lokale Temperaturminima zu vermeiden, damit der Kristall nur jeweils aus der Mitte gezogen wird. Der Winkel soll nicht zu klein sein, weil das kostenintensiv ist: je kleiner der Winkel ist, umso mehr Laserstrahlen bzw. Laserstrahlläufe braucht man, um die gleiche Modulbreite zu kris¬ tallisieren. Auf Grund des Winkels können die beiden Strahlen auf einfache Art wie ein "Schneepflug" angeordnet werden.
Der erste Strahl kann durch mindestens drei oder durch mindestens fünf oder durch mindestens zehn Strahlungsquellen erzeugt werden, deren Strahlung einander überlagert wird, vorzugsweise zu jeweils mindestens 90 Prozent oder zu mindes¬ tens 95 Prozent der bestrahlten Fläche des ersten Strahls. Auch der zweite Strahl kann durch mindestens drei oder durch mindestens fünf Strahlungsquellen erzeugt werden, deren
Strahlung einander überlagert wird, vorzugsweise zu jeweils mindestens 90 Prozent oder zu mindestens 95 Prozent der be¬ strahlten Fläche des zweiten Strahls. Bei der Ermittlung der bestrahlten Fläche kann bspw. auf Intensitäten Bezug genommen, die größer als 10 Prozent der maximalen Strahlungsleis¬ tung im ersten Strahl und/oder im zweiten Strahl sind.
Durch die Überlagerung der Strahlen mehrerer Strahlungsquellen kann insbesondere bei linienförmigen Strahlen bzw. bei
Linienstrahlen eine hohe Homogenität der Strahlungsintensität erreicht werden. Auch kann die Homogenität erhalten bleiben falls eine Strahlungsquelle/Laser ausfällt. Der Ausfall einer Strahlungsquelle kann bspw. durch eine höhere Strahlungsleis- tung der anderen Strahlungsquellen kompensiert werden.
Weiterhin findet insbesondere bei kohärenter Strahlung ein Ausmitteln von Interferenzen im Überlappungsbereich der
Strahlen statt. Eine Überlappung einer solchen Strahlungs- gruppe mit einer gleichartigen Strahlungsgruppe führt eben¬ falls zu keinen negativen Interferenzen bzw. Inhomigenitäten des Strahlungsfeldes.
Der erste Strahl kann insbesondere seine eigenen Strahlungs- quellen haben. Ebenso kann der zweite Strahl seine eigenen Strahlungsquellen haben.
Es wird in diesem Zusammenhang bspw. auf Laser der Firma LIMO (Lissotschenko Mikrooptik GmbH, Deutschland) verwiesen. Aber auch andere Firmen produzieren Laser mit homogenen Linien, siehe bspw. Innovavent Laser Optics. Auch andere Möglichkei¬ ten zur Erzeugung der Laserstrahlen können angewendet werden.
Der erste Strahl und der zweite Strahl können elektromagneti- sehe Strahlen sein, die vorzugsweise die gleiche Wellenlänge haben, vorzugsweise im Bereich von 300 Nanometer bis 1400 Nanometer (1,4 Mikrometer) oder im Bereich von 500 Nanometer bis 1000 Nanometer. In diesem Bereich haben viele Materialien eine besonders hohe Absorption für die Strahlung, insbesonde- re Halbleitermaterialien. Auch die Temperatur des Materials kann einen Einfluss auf die Absorption haben, was berücksichtigt werden kann.
Der erste Strahl und der zweite Strahl können kohärente
Strahlen sein, vorzugsweise LASER (Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation) Strahlen. Kohärente Strahlen haben eine hohe Energiedichte und ermöglichen eine sehr
gute Strahlbündelung, kleine Strahldivergenz usw., was für die Energieübertragung und damit für den energetischen Wirkungsgrad beim Kristallisieren wichtig ist. Der erste Strahl und der zweite Strahl können aber auch E- lektronenstrahlen oder Wärmestrahlen sein. Auch mit diesen Strahlarten lassen sich gute Ergebnisse bei der Kristallisie¬ rung erreichen. Der Wärmestrahl kann bspw. durch Lampen und mindestens einen fokussierenden Spiegel erzeugt werden, bspw. einen elliptischen Spiegel, was auch als Zonenschmelzkristal- lisierung (Zone Melting Crystallization, ZMC) bezeichnet wird .
Das zu kristallisierende Material kann ein Halbleitermaterial sein, insbesondere Silizium oder ein Silizium enthaltendes
Material. Andere Halbleitermaterialien können ebenfalls kris¬ tallisiert werden. Beispiele für solche Halbleitermaterialien werden unten genannt. Es können aber auch andere Materialien kristallisiert werden.
Die Schichtdicke des Materials kann im Bereich von 1 Mikrome¬ ter bis 20 Mikrometer oder bis 25 Mikrometer liegen. Dieser Bereich lässt sich bspw. mit Laserstrahlen einer Energiedichte (energy density) oder einem Energiefluss (fluence) im Bereich von 30 J(Joule)/cm2 (QuadratZentimeter) bis 300 J/cm2 im zu kristallisierenden Halbleitermaterial kristallisieren. Die Energiedichte kann durch die folgenden Größen definiert werden :
- Strahlungsintensität (I),
- Strahlbreite, (d) ,
- Strahlgeschwindigkeit (v) , d.h. z.B. der Geschwindigkeits¬ unterschied zwischen Substrat und Strahl, d.h. die Relativge¬ schwindigkeit,
insbesondere gemäß der folgenden Formel:
I * d / v.
Das Material kann vor der Bestrahlung amorph sein, insbesondere röntgenamorph (z.B. a-Si) , nanokristal- lin/mikrokristallin (kleiner 1 Mikrometer größte Kornausdehnung) oder polykristallin (größer 1 Mikrometer größte Korn- ausdehnung) .
Im genannten Bereich der Schichtdicke kann ausreichend Raum für Lichtabsorption bei Solarmodulen gegeben sein, insbesondere wenn zusätzliche Maßnahmen hinsichtlich der Lichtausbeu- te getroffen werden, wie z.B. Rückseitenreflektor, lichtstreuende Interfaces usw., was auch als "light trapping" bezeichnet wird.
Das zu kristallisierende Material kann auf einem Trägersub- strat angeordnet werden, insbesondere auf einem Glassubstrat. Das Trägersubstrat kann eine Größe haben, die mindestens einen halben Quadratmeter, mindestens einen Quadratmeter oder mindestens zwei Quadratmeter beträgt. Insbesondere haben Halbleitermaterialien und Glas ähnliche thermische Ausdeh- nungskoeffizienten, was die Kristallisierung erleichtert.
Das Trägersubstrat kann ein Glassubstrat sein, z.B. Borsili¬ katglas. Insbesondere kann sogenanntes Floatglas verwendet werden. Typische Gläser sind Bor-Silikat-Glas oder Kalk- Natron-Glas (soda lime) . Alternativ kann Metall oder Keramik bzw. ein anderes geeignetes Material als Substrat verwendet werden .
Die Obergrenze für die zur Verfügung stehende Fläche des Trägersubstrats kann durch die Fertigungstechnologie und/oder die Transportmöglichkeiten gegeben sein und kann bspw. kleiner als 10 Quadratmeter sein.
Als Trägersubstrat wird hier auch ein so genanntes Superstrat betrachtet, das bspw. bei einer Solarzelle der Sonne zuge¬ wandt wird.
Es kann ggf. mindestens eine Barriereschicht zwischen dem Trägersubstrat und dem Material, z.B. der Halbleiterschicht bzw. den Halbleiterschichten, verwendet werden, bspw. enthaltend eine Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Sili- ziumkarbid oder einen Schichtstapel, insbesondere aus mindes¬ tens zwei der genannten Schichten. Die genannten Materialien können stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch sein. Auch Mischungen dieser Materialien können verwendet werden. Das Material bzw. die Halbleiterschicht kann auf das Träger¬ substrat bzw. die Barriereschicht aufgebracht werden, insbe¬ sondere abgeschieden oder aufgewachsen, wobei Verfahren wie CVD (chemische Dampfabscheidung) , Sputtern oder andere Verfahren verwendet werden können.
Der erste Strahl und der zweite Strahl können kontinuierlich strahlen, insbesondere für ein Zeit, in der sie über eine Strecke auf dem Material geführt werden, die länger als 1 Zentimeter oder länger als 10 Zentimeter ist, und die vor- zugsweise der gesamten Ausdehnung des Trägersubstrats ent¬ spricht .
Bei dieser Bestrahlung kann die Überlappung der beiden Strahlen unverändert bleiben, d.h. die räumliche Anordnung der Strahlen zueinander kann gleich bleiben. Die beiden Strahlen bilden also eine Gruppe oder ein Paar.
Die Strahlen können eine Kristallisation des Materials, z.B. der mindestens einen Halbleiterschicht, unter Bildung mindes- tens eines Einkristalls oder einer Vielzahl von Einkristallen mit einer Länge größer als 1 Zentimeter oder größer als 10 Zentimeter und vorzugsweise mit einer Breite größer als 100 Mikrometer, größer als 1 Millimeter oder größer als 1 Zentimeter bewirken. Damit lassen sich im industriellen Maßstab vergleichsweise große Einkristalle auf einfache Art herstel¬ len. Die Einkristalle sind insbesondere für die Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen geeignet.
Der erste Strahl kann an seinem überlappenden Ende entlang einer verlängerten Mittellinie des linienförmigen Intensitätsprofils des ersten Strahls eine Intensitätsflanke haben, die um mindestens 50 Prozent oder um mindestens 100 Prozent länger als eine Intensitätsflanke ist, die im Winkel von 90 Winkelgrad an der Mittellinie des linienförmigen Intensitäts¬ profils liegt. Schon aus dieser Maßnahme kann eine stärkere Abrundung der Strahlen an ihren Enden resultieren, was Frei- heitsgrade bei der Überlagerung schafft.
An dem überlappenden Ende des ersten Strahls und/oder an dem überlappenden Ende des zweiten Strahls kann bzw. können mindestens eine Linie gleicher Intensität oder alle Linien glei- eher Intensität ein Krümmungsmaximum haben, das auf einer verlängerten Mittellinie eines linienförmigen Intensitätsma¬ ximums des betreffenden Strahls liegt. Dieser Krümmungsverlauf resultiert in einer starken Abrundung der Enden, was das Einstellen des Temperaturverlaufs durch Überlagern der beiden Strahlen begünstigt.
Der erste Strahl und/oder der zweite Strahl kann bzw. können entlang einer verlängerten Mittellinie seines (ihres) linien- förmigen Strahlprofils eine Intensitätsflanke haben, die in einem oberen Abschnitt einen Krümmungsverlauf hat, der mit dem Krümmungsverlauf in einem unteren Abschnitt übereinstimmt (insbesondere bei einer Spiegelung an einem Symmetriepunkt oder einer Symmetrieachse), wobei jedoch die Krümmungsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind. Der obere Abschnitt kann sich über mindestens 20 Prozent oder mindestens 40 Pro¬ zent der Intensitätsflanke erstrecken, bspw. auch genau über 50 Prozent. Gleiche Prozentangaben können auch für den unteren Abschnitt gelten. Die Intensität an der Intensitätsflanke kann gemäß einer
Sigmoidfunktion (auch als logistische Funktion bezeichnet) verlaufen oder gemäß einer anderen Funktion mit gleichen
Verlauf des Betrages der Krümmung in einem oberen und einem unteren Abschnitt. Ein Beispiel für eine Sigmoidfunktion wird unten im Zusammenhang mit der Figur 6 erläutert, wobei jedoch auch steilere Sigmoidfunktionen verwendet werden können.
Erhöhungen an Randabschnitten der Flanken können so auf einfache Art und Weise vermieden werden.
Bei anderen Flankenformen (linear, quadratisch, exponentiell usw.) können solche Überhöhungen auftreten. Jedoch können die Überhöhungen bspw. durch zusätzliche Filterelemente beseitigt werden .
In dem zu kristallisierendem Material kann entlang eines Querschnittes, der im Winkel von 90 Winkelgrad zu einer rela¬ tiven Bewegungsrichtung zwischen den Strahlen und dem zu kristallisierendem Material liegt, zu einem ersten Zeitpunkt der folgende erste Temperaturverlauf vorliegen:
- ein erstes Temperaturminimum liegt an einem ersten Ort vor, - ein erstes Temperaturmaximum liegt an einem zweiten Ort vor, der zu dem ersten Ort einen ersten Abstand hat.
Zu einem zweiten Zeitpunkt, der nach dem ersten Zeitpunkt liegt, kann der folgende zweite Temperaturverlauf an diesem Querschnitt vorliegen:
- ein zweites Temperaturminimum liegt an dem ersten Ort vor, wobei das zweite Temperaturminimum kleiner als das erste Temperaturminimum ist,
- ein zweites Temperaturmaximum liegt an einem dritten Ort vor, der zu dem ersten Ort einen zweiten Abstand hat, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.
Zu einem dritten Zeitpunkt, der nach dem zweiten Zeitpunkt liegt, kann der folgende dritte Temperaturverlauf an dem Querschnitt vorliegen:
- ein drittes Temperaturminimum liegt an dem ersten Ort vor, wobei das dritte Temperaturminimum kleiner als das zweite Temperaturminimum ist,
- ein drittes Temperaturmaximum liegt an einem vierten Ort vor, der zu dem ersten Ort einen dritten Abstand hat, wobei der dritte Abstand größer als der zweite Abstand ist.
Diese drei Temperaturprofile können auch zum gleichen Zeit¬ punkt an drei Querschnitten vorliegen, über die die Strahlen hintereinander geführt werden.
Die Temperaturprofile sind in beiden Fällen eine Folge der Neigung zwischen relativer Bewegungsrichtung und Strahl.
Alternativ können diese Temperaturprofile jedoch auch auf andere Art und Weise erzeugt werden.
Das erste Temperaturmaximum und/oder das zweite Temperaturma¬ ximum und/oder das dritte Temperaturmaximum können gleiche Temperaturwerte haben.
Die Erfindung betrifft auch eine Halbleitermodul, insbesonde¬ re ein nach einem oben genannten Verfahren hergestelltes Halbleitermodul. Damit gelten die oben genannten technischen Wirkungen auch für das Halbleitermodul.
Das Halbleitermodul kann eines der folgenden Module sein:
- ein Solarmodul, insbesondere ein Dünnschichtmodul, wobei das Halbleitermaterial insgesamt dünner als 300 Mikrometer, dünner als 100 Mikrometer, oder sogar dünner als 10 Mikrome- ter ist.
- ein Flachbildschirm, insbesondere ein TFT (Thin Film Transistor) Bildschirm,
- aber auch ein Träger für eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen .
Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungsanlage, insbe¬ sondere zum Durchführen eines oben genannten Verfahrens oder
insbesondere zum Herstellen eines Halbleitermoduls, enthal¬ tend :
- vorzugsweise eine Transportvorrichtung für Trägersubstrate, die eine Größe von mindestens einem halben Quadratmeter, einem Quadratmeter oder von mindestens zwei Quadratmetern haben,
- eine erste Bestrahlvorrichtung zum Bestrahlen des Trägersubstrats oder eines Trägersubstrats, und
- eine zweite Bestrahlvorrichtung zum gleichzeitigen Bestrah- len desselben Trägersubstrats.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird ein Laserstrahlformde¬ sign bzw. ein Laserstrahlformentwurf erläutert, um erweiterte Körner für bspw. laserkristallisiertes Silizium herzustellen.
Gelöst werden:
- ebene Laserkristallisation in großen Gebieten mit erweitertem Einkristall bzw. Monokristall ,
- Erzeugen großer Einkristalle unter Verwendung von bspw. Laserkristallisation, insbesondere von kontinuierlich (cw continuous wave) betriebenen Lasern, ausgehend von bspw.
Dünnfilmschichten, insbesondere aus Silizium,
- Die Firma LIMO (Laserlieferant) bietet derzeit u.a. einen Laser mit einer homogenen Laserlinie von 3 Zentimetern an. Damit erzeugte Kristalle treten in einer Breite von einigen Millimetern auf,
- bisher wurde ein Erweitern des Kristalls zu größeren Abmessungen hin noch nicht erreicht. Aus S. Kawamura u.a. "Recrystallization of Si on amorphous
Substrates by doughnut-shaped cw Ar laser beam", Appl . Phys . Lett. 40(5), 1. März 1982, Seite 394 und Seite 395, ist es bekannt eine ringförmige bzw. als Donut geformte Strahlungs¬ intensitätsverteilung des Strahls zu verwenden, die eine erweiterte Schmelzzone bewirkt, im Gegensatz zu einer gauss- verteilungsförmig geformten Strahlungsintensitätsverteilung
des Laserstrahls. Die resultierenden Kristalle werden aber durch die Ausdehnung des Laserstrahls beschränkt.
Aus T. J. Stultz u.a. "The use of beam shaping to achieve large-grain cw laser-recrystallized polysilicon on amorphous Substrates", Appl . Phys . Lett., 39(6), 15. September 1981, Seite 498 bis Seite 500, sind andere Laserstrahlformen und zugehörige Tendenzen des Kristallwachstums bekannt. Bspw. durch das Überlappen der Enden zweier Laserlinien kann in dem überlappenden Bereich ein Strahlungsintensitätsprofil geformt werden, das in seiner Wirkung etwa der Wirkung eines Lasers mit kreisringförmigem Profil entspricht. Das kreis¬ ringförmige Profil wird in der Literatur auch als Donutprofil (Doughnut) bezeichnet.
Durch die diagonalen Erweiterungen dieser Laserlinien, kann der Einkristall erweitert werden. Die Erweiterung kann bspw. über das gesamte Substrat erfolgen. Die linienförmigen Laser- Strahlen können auch eine der in Stultz gezeigten Formen haben, insbesondere die halbmondförmige Form.
Angegeben wird bspw. das Schaffen eines großen einkristallinen Dünnfilms durch Strahlformen bspw. zweier Dauerstrich Laserlinien bzw. zweier linienförmiger Laserstrahlen bzw. anderer Strahlungsarten, die bspw. eine dünne, insbesondere dünner als 300 oder 200 Mikrometer, Halbleiterschicht bzw. einen dünnen Halbleiterfilm kristallisiert bzw. rekristallisiert, insbesondere eine dünne Siliziumschicht.
Die Figur 1 zeigt die Aufweitung eines einkristallinen Gebietes nach Art eines "Schneepfluges" durch zwei im Winkel zu¬ einander angeordnete Laserlinien, die sich an der gebildeten Spitze überlappen, wobei ein Intensitätsprofil an der Spitze erzeugt wird, das in seiner Wirkung auf die Kristallisierung des Einkristalls der Wirkung eines kreisringförmigen Laserstrahls entspricht.
Damit ergeben sich:
- ein erweitertes einkristallines bzw. monokristallines Ge¬ biet, und/oder
- ein gesteuerter bzw. geregelter Prozess bzw. Verfahren des Aufweitens des kristallisierten Gebietes.
Die vorgeschlagenen Lösungen können insbesondere bei LPCSG (Liquid Phase Crystallized Silicon on Glass) Technologien verwendet werden, d.h. dass irgendwie abgeschiedenes Halblei¬ termaterial nach der Abscheidung verflüssigt wird. So kann eine Abscheidung des Siliziums durch Elektronenstrahlverdamp- fen, aus der Gasphase, durch Sputtern oder auf andere Art und Weise erfolgen. An Stelle von Glas kann auch ein anderer geeigneter Träger verwendet werden, z.B. Metall. Der Nachweis der Verwendung der vorgeschlagenen Lösungen lässt sich bspw. über die Erweiterung der Kristallkörner auf charakteristische Weise erbringen, z.B. kann es Muster geben, die "Fischgräten" ähneln, siehe z.B. Pfeile 24a bis 24d in der Figur 1.
Auch kann eine Strahlneigung verwendet werden, was eine störende Reflexion in den Laser hinein vermeiden könnte. Beide Laserstrahlen können auch voneinander verschiedene Neigungen haben, damit die Gehäuse einander nicht im Weg stehen. Alter- nativ kann man das Strahlprofil so ändern, dass dennoch eine homogene Intensitätsverteilung auf dem Substrat entlang einer Linie erzeugt wird. Bspw. könnte man auch nur ein Gehäuse für die beiden Stahlen verwenden. Sollten durch die Neigung unterschiedliche Abstände zum Laser entstehen, so kann ggf. das Strahlprofil geändert werden, so dass dennoch eine homogene Intensitätsverteilung erzielt werden kann.
Die Parameter der Bestrahlung können empirisch festgelegt werden, insbesondere bei Verwendung eines Lasers. So können u.a. die folgenden Lasertypen zum Einsatz kommen: Diodenlaser, z.B. Indiumgalliumnitrid, Aluminiumgalliumarsenid,
Nd:YAG (Neodymionen in Yttrium-Aluminium Granat), Nd:YV04-
Laser (Neodymionen in Yttrium-Vanadat-Kristallgitter) , Argon- Ionen-Laser, XeCl-Excimerlaser (Xenonclorid) , KrF- Excimerlaser (Kryptonfluorid) , Xe-F-Excimerlaser (Xenonfluo- rid) . Die Halbleiterlaser bzw. die Halbleiterdiodenlaser können bspw. eine Wellenlänge von 808 Nanometer plus/minus 10 Prozent oder eine Wellenlänge von 980 Nanometer plus/minus 10 Prozent haben.
Die optische Energiedichte bzw. der Energiefluss des Lasers kann im Bereich von 30 bis 300 Joule/QuadratZentimeter liegen, die in den Halbleiter oder in ein anderes Material eingestrahlt wird, insbesondere unabhängig von der Strahlge¬ schwindigkeit. Die relative Strahlgeschwindigkeit kann bspw. im Bereich von 5 Millimetern/Sekunde bis zu 5 Zentime- tern/Sekunde liegen..
Prozessinstabilitäten können bspw. durch Vorheizen der Trägersubstrate vermieden bzw. abgeschwächt werden. Das Vorhei¬ zen kann sich auch günstig hinsichtlich einer geringen Bruch- neigung und Rissbildung des Trägersubstrates auswirken, ins¬ besondere bei Verwendung von Glas als Trägersubstrat.
Die beiden Strahlen können so geführt werden, dass sie das Substrat nicht oder erst nach dem Durchstrahlen des Materials durchstrahlen.
Das Verfahren kann ggf. auch für andere Halbleiter als Silizium eingesetzt werden, z.B. für Chalcopyrite (z.B. CIGS Kupfer Indium Gallium Diselenid) , Kesterite (z.B. CZTS Kupfer Zink Zinn Sulfid), III/V Halbleiter (GaAs (Galliumarsenid) , InGaAs (Indium Gallium Arsenid) , usw.), andere Verbindungs¬ halbleiter, Germanium, Cadmiumtellur (CdTe) .
Der Wasserstoffgehalt eines Halbleitermaterials sollte vor der Kristallisation so gering wie möglich sein, um ein Abplatzen der Halbleiterschicht bei der Kristallisation zu verhindern. Nach der Kristallisation kann eine Wasserstoff-
Passivierung durchgeführt werden, um Defekte zu passivieren. Weil es weniger Defekte als bei amorphen Material gibt, kann der zum Passivieren erforderliche Wasserstoffgehalt in der Halbleiterschicht auch geringer als bisher sein.
Eine raue Oberfläche des Materials nach dem Kristallisieren kann förderlich sein. Wenn glattere Oberfläche erforderlich sein sollten, dann kann bspw. eine Abdeckschicht oder ein Schichtstapel aus Abdeckschichten verwendet werden. Als Ab- deckschicht kann insbesondere bei einem Halbleitermaterial z.B. eine Schicht aus Siliziumnitrid, z.B. Si3N4 (z.B. im Bereich von 50 nm bis 110 nm, insbesondere z.B. ca. 80 nm (Nanometer) ) , aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumkarbid dienen, alle stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch . Ein Schichtstapel kann Kombinationen aus zwei oder aus drei der genannten Schichten enthalten. Aber auch Mischungen aus diesen Materialien sind möglich.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglich- keit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung. So¬ fern in dieser Anmeldung der Begriff "etwa" verwendet wird, bedeutet dies, dass auch der exakte Wert offenbart ist.
Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet, insbeson- dere können die Aspektverhältnisse der Elemente anders oder wie angegeben gewählt werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: Figur 1 zwei im Winkel zueinander und mit Überlappung angeordnete linienförmige Laserstrahlen,
Figur 2 ein Strahlungsintensitätsprofil und ein Temperatur¬ profil entlang von linienförmigen Laserstrahlen,
Figur 3 einen Teil einer Fertigungslinie bzw. eine Ferti¬ gungsstraße für die Fertigung von Solarmodulen,
Figur 4 zwei mit Überlappung zueinander angeordnete Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Intensitätsprofil,
Figur 5 Linien gleicher Strahlungsintensität am Ende eines linienförmigen Laserstrahls,
Figur 6 die Überlagerung zweier Strahlen mit sigmoiden
Strahlungsintensitätsflanken, und
Figuren 7 bis 9 Temperaturprofile in dem zu kristallisie¬ renden Material, bspw. an einer Oberfläche.
Die Figur 1 zeigt zwei im Winkel W3 zueinander und mit Über- lappung U angeordnete linienförmige Laserstrahlen 12a, 12b. Die Laserstrahlen 12a, 12b bestrahlen ein Solarmodul 10, das bspw. wie das unten an Hand der Figur 3 erläuterte Solarmodul 212 aufgebaut ist. Eine Symmetrielinie 11 der Anordnung der Bestrahlungsgebiete der Strahlen 12a und 12b liegt in Richtung einer relativen Bewegungsrichtung 16, die die Relativbewegung zwischen dem Solarmodul 10 und den Strahlen 12a und 12b bezogen auf einen Betrachter mit festem Bezugspunkt am Solarmodul 10 angibt.
Für den Laserstrahl 12a gilt, dass er einen bestrahlten Bereich 13a bestrahlt, der bspw. Strahlungsintensitäten um- fasst, die mindestens 30 Prozent der maximalen Strahlungsin¬ tensität des Laserstrahls 12a sind, insbesondere auch im Bereich von plus 10 Prozent bis minus 10 Prozent dieses Wer¬ tes. Der bestrahlte Bereich 13a ist in der Figur 1 übertrie¬ ben breit dargestellt.
Ein Intensitätsmaximum 15a hat eine etwa homogene Strahlungs- Intensität, wobei die in der Einleitung genannten Toleranzen gelten, z.B. kleiner als 5 Prozent Abweichung. Die Länge des Strahls 12a wird unten an Hand der Figur 2 näher erläutert
und ist bspw. mindestens 1 Zentimeter, mindestens 10 Zentime¬ ter oder mindestens 15 Zentimeter. Eine obere Grenze kann durch die Breite bzw. die halbe Breite des Moduls (z.B. Glas) gegeben sein, insbesondere unter Berücksichtigung des Winkels Wl .
Der Laserstrahl 12a erzeugt einen flüssigen Bereich 18a des Halbleitermaterials, z.B. Silizium, das sich auf dem Solarmo¬ dul 10 befindet. Beginnend von der Spitze, die durch die beiden Strahlen 12a und 12b gebildet wird, über mittlere Bereiche bis hin zu einem linken Randbereich 26 setzt ein Kristallwachstum an einer Kristallisierungsgrenze 20a ein, wobei sich ein Einkristall 22 bildet. Der Laserstrahl 12a breitet sich bspw. entgegen der Normalenrichtung der Blattebene aus. Alternativ ist er bezogen auf die Richtung, die entgegen der Normalenrichtung liegt, leicht geneigt, z.B. im Bereich von 1 Winkelgrad bis zu 10 Winkel¬ grad. Aber auch größere Neigungswinkel können verwendet wer- den.
Für den Laserstrahl 12b gilt entsprechend, dass er einen linienförmigen bestrahlten Bereich 13b bestrahlt, der bspw. Strahlungsintensitäten I umfasst, die bspw. mindestens 30 Prozent der maximalen Strahlungsintensität I des Laserstrahls 12b sind, insbesondere auch im Bereich von plus 10 Prozent bis minus 10 Prozent dieses Wertes. Beide Strahlen 12a und 12b arbeiten bspw. mit der gleichen elektrischen Energiedichte die bspw. im Bereich von 30 bis 300 J/cm2 im zu kristal- lisierenden Material liegen kann.
Ein Intensitätsmaximum 15b des Strahls 12b hat eine etwa homogene Strahlungsintensität, wobei die in der Einleitung genannten Toleranzen gelten, z.B. kleiner als 5 Prozent oder kleiner als 2,5 Prozent Abweichung.
Die Länge des Strahls 12b wird unten an Hand der Figur 2 näher erläutert und ist bspw. mindestens 1 Zentimeter, min¬ destens 10 Zentimeter oder mindestens 15 Zentimeter. Eine obere Grenze kann durch die Breite bzw. die halbe Breite des Moduls 19 (Glases) gegeben sein, insbesondere unter Berück¬ sichtigung der Winkel W2. Die Länge der beiden Strahlen 12a, 12b ist im Ausführungsbeispiel gleich, kann aber auch voneinander verschieden sein. Die Form des Stahls 12b ist bspw. gleich der Form des Strahls 12a. Aber auch voneinander verschiedene Formen und/oder Längen der Stahlen 12a, 12b können verwendet werden.
Der Laserstrahl 12b erzeugt einen flüssigen Bereich 18b des Halbleitermaterials, das sich auf dem Solarmodul 10 befindet. Beginnend von der Spitze, die durch die beiden Strahlen 12a und 12b gebildet wird, über mittlere Bereiche bis hin zu einem rechten Randbereich 28 setzt ein Kristallwachstum an einer Kristallisierungsgrenze 20b ein, wobei sich ein Ein- kristall 22 bildet.
Der Laserstrahl 12b breitet sich bspw. ebenfalls entgegen der Normalenrichtung der Blattebene aus. Alternativ ist der
Strahl 12b bezogen auf die Richtung, die entgegen der Norma- lenrichtung liegt, leicht geneigt, z.B. im Bereich von 1
Winkelgrad bis zu 10 Winkelgrad. Aber auch größere Neigungs¬ winkel können verwendet werden.
Beide Laserstrahlen 12a, 12b überlappen sich in einem Über- lappungsbereich U, der bspw. kleiner als 5 Prozent des bestrahlten Bereiches 13a bzw. 13b ist. Im Überlappungsbereich U gibt es eine Strahlungsintensitätsminiumum, das unten an Hand der Figur 2 bzw. der Figur 6 noch näher erläutert wird. Durch das Strahlungsintensitätsminiumum bildet sich zwischen der Kristallisierungsgrenze 20a und der Kristallisierungs¬ grenze 20b ein mittlerer Abschnitt 20c der Kristallisierungs¬ grenze. Am mittleren Abschnitt 20c der Kristallisierungsgren-
ze gibt es ein Temperaturminiumum an dem die Kristallisation jeweils bei relativer Bewegung der Strahlen 12a und 12b einsetzt, um sich dann nach links und rechts fortzusetzen, wie oben erläutert worden ist.
Auf diese Art bildet sich das monokristalline Material 22 bspw. entlang von Kristallwachstumsrichtung 24a bis 24d, die im Winkel von 90 Winkelgrad zu den Intensitätsmaximumlinien 15a bzw. 15b liegen.
Für den linienförmigen Laserstrahl 12b gilt bspw., dass auf einer Geraden liegende Positionen 1, 2, 3 usw. aufgrund der Ausrichtung des Strahls 12b nacheinander aufgeschmolzen werden, wobei die Gerade, auf der die Raumpunkte 1, 2, und 3 liegen, im Winkel von 90 Grad zu der Richtung 16 in der
Blattebene liegt.
In dem linken Randstreifen 26 findet dagegen ein eigener Kristallisierungsprozess statt, der zu einem vom Einkristall 22 getrennten Kristall führt, siehe bspw. Kristallwachstums¬ richtung 30 im linken Randstreifen 26. Auch in dem rechten Randstreifen 28 findet ein eigener Kristallisierungsprozess statt, der zu einem vom Kristall 22 getrennten Kristall führt, siehe bspw. Kristallwachstumsrichtung 32 im rechten Randstreifen 28.
Die Kristallwachstumsrichtungen 24a bis 24d können von Kristallorientierungsrichtungen abweichen. Zufällig oder durch zusätzliche Maßnahmen können jedoch die Kristallwachstums- richtungen 24a, 24c oder 24b, 24d aber auch mit Kristallorientierungsrichtungen zusammenfallen. Die Kristallorientierungsrichtungen werden bspw. mit den sogenannten Millerschen Indizes bezeichnet. Der Einkristall 22 hat bspw. eine Breite B, die im Idealfall der Breite des von den Strahlen 12a und 12b bestrahlten Gebietes entspricht. Jedoch kann es auch mehrere lang gestreck-
te Einkristalle innerhalb der Breite B geben. Die erzeugten Einkristalle erstrecken sich im Idealfall über das gesamte Solarmodul 10. Jedoch können in der Praxis auch mehrere Ein¬ kristalle in Längsrichtung des Solarmoduls 10 gebildet wer- den, die jedoch jeweils in Richtung 16 eine Länge von bspw. mehreren Zentimetern und ggf. auch von mehr als 10 Zentime¬ tern haben.
Ein Winkel Wl zwischen der relativen Bewegungsrichtung 16 bzw. der Symmetrielinie 11 und der Mittellinie 15a liegt bspw. im Bereich von 91 Winkelgrad bis 165 Winkelgrad bzw. im Bereich von 100 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad. Gleiches gilt für einen Winkel W2 zwischen der relativen Bewegungsrichtung 16 bzw. der Symmetrielinie 11 und der Mittellinie 15b, wobei jedoch der Richtungssinn umgekehrt ist.
Zwischen den Geraden, an denen die Strahlungsintensitätsmaxi- ma 15a und 15b liegen gibt es einen Winkel W3. Dieser Winkel W3 lässt sich bspw. durch Versuch und/oder Simulation ermit- teln. Gleiches gilt für die Strahlungsparameter der Strahlen 12a, 12b sowie für deren Länge und/oder Breite. Der Winkel W3 liegt bspw. im Bereich von 90 Winkelgrad bis 130 bzw. bis 160 Winkelgrad . Bei anderen Ausführungsbeispielen werden andere Materialien auf anderen Trägersubstraten mit der gleichen Anordnung von Laserstrahlen 12a, 12b kristallisiert.
Es können auch andere Formen von sich überlappenden Strahlen verwendet werden, z.B. ein linienförmiger Strahl und ein
Strahl mit glockenförmiger Strahlungsintensität, d.h. eine unsymmetrische Anordnung, siehe Figur 4.
An Stelle von Laserstrahlen 12a, 12b können bei allen genann- ten Ausführungsbeispielen auch Elektronenstrahlen oder Wärmestrahlen verwendet werden.
Es können für einen Strahl 12a, 12b oder für beide Strahlen 12a, 12b auch andere Strahlformen verwendet werden, siehe bspw. Strahlform 40 in Form eines Kreissegmentes. In der Figur 1 sind außerdem Querschnitte Sl bis S3 gezeigt, die im Winkel von 90 Winkelgrad zu der relativen Bewegungs¬ richtung 16 liegen. Temperaturprofile für diese Querschnitte Sl, S2 und S3 werden unten an Hand der Figuren 7, 8 bzw. 9 erläutert .
Die Figur 2 zeigt ein Strahlungsintensitätsprofil I bzw. 160 und ein Temperaturprofil T bzw. 170 entlang der Linien 15a, 15b der Intensitätsmaxima der linienförmigen Laserstrahlen 12a, 12b bzw. im Überlappungsbereich U auch entlang der Ver- längerung dieser Linien.
Der Strahlungsintensitätsverlauf 160 enthält von links nach rechts bspw . :
- eine steigende Flanke des Strahlungsintensitätsverlaufs 160 vom Wert Null auf einen maximalen Wert der Intensität I des
Strahls 12a,
- ein Plateau 164 gleichbleibender Intensität I des Strahls 12a,
- einen sich anschließenden abfallenden Bereich der Intensi- tät I auf ein lokales Strahlungsintensitätsminimum 162, das im Überlappungsbereich U liegt,
- einen sich an das Strahlungsintensitätsminimum 162 anschließenden ansteigenden Bereich der Intensität I bis zum maximalen Wert der Intensität I des Strahls 12b,
- ein Plateau 166 maximaler Intensität I des Strahls 12b, und
- eine abfallende Flanke vom maximalen Wert der Intensität I auf den Wert Null.
Der Strahlungsintensitätsverlauf 160 wird durch Einstellen des Überlappungsgrades im Überlappungsbereich U so einge¬ stellt, dass sich ein geeigneter Temperaturverlauf 170 und/oder ein geeigneter Verlauf der Kristallisierungsgrenzen
20a bis 20c ergibt, wobei die Eignung in Bezug auf eine oder mehrere der folgenden Größen gegeben sein kann:
- möglichst große Einkristalle (Fläche, Länge und/oder Brei¬ te) ,
- möglichst wenig Kristallfehler,
- gleichmäßige Einkristalle,
- gleiche Ausrichtung der Einkristalle, usw.
Eine Länge L2 des Strahls 12a kann über die Länge bei halber Strahlungsintensität I definiert werden, was auch als FWHM
(Füll Width Half Maximum bezeichnet) wird. Die Länge L2 kann bspw. im Bereich von 10 Zentimetern bis zu einem Meter liegen . Eine Länge L4 des Strahls 12b kann ebenfalls über die Länge bei halber Strahlungsintensität definiert werden. Die Länge L2 kann bspw. im Bereich von 10 Zentimetern bis zu einem Meter liegen. Ebenso können eine Breite B2 des Strahls 12a und eine Breite B4 des Strahls 12b über FWHM festgelegt werden. Die Breite B2 bzw. B4 liegt bspw. im Bereich von 0,15 Millimeter bis zu 1 Millimeter . Alternativ lassen sich für die Längen und/oder die Breiten andere Weitenmaße verwenden, siehe Einleitung.
Der Strahlungsintensitätsverlauf 160 beeinflusst auch den Temperaturverlauf 170 auf den Linien 15a, 15b bzw. auf deren Verlängerung im Überlappungsbereich U. Letztlich bestimmt der Temperaturverlauf 170 auch den Temperaturverlauf an den Kris¬ tallisierungsgrenzen 20a, 20c und 20b.
Der Temperaturverlauf 170 enthält von links nach rechts bspw . :
- eine steigende Flanke des Temperaturverlaufs T vom bspw. einer Substrattemperatur auf einen maximalen Wert der Temperatur T, die durch den Strahl 12a erzeugt wird,
- ein Plateau 174 gleichbleibender Temperatur T,
- einen sich anschließenden abfallenden Bereich der Temperatur T auf ein lokales Temperaturminimum 172, das im Überlappungsbereich U liegt,
- einen sich an das lokale Temperaturminimum 172 anschließenden ansteigenden Bereich der Temperatur T bis zum maximalen Wert der Temperatur T, die durch den Strahl 12b erzeugt wird,
- ein Plateau 176 maximaler Temperatur T, und
- eine abfallende Flanke vom maximalen Wert der Temperatur T bspw. auf den Wert der Substrattemperatur. An der Kristallisierungsgrenze 20a, 20c, und 20b ergibt sich ein Temperaturverlauf, der ähnlich zu dem Temperaturverlauf 170 ist, und der eine an einem weiteren lokalen Temperaturminimum einsetzende Kristallisierung bewirkt, d.h. am vorders¬ ten Punkt des mittleren Abschnitts 20c der Kristallisierungs- linie 20c
Die Darstellung in der Figur 2 ist ebenfalls sehr schematisch und Übertrieben, um die Zusammenhänge deutlich zu machen. Die tatsächlichen Gegebenheiten können von der Figur 2 abweichen.
Die Figur 3 zeigt einen Teil einer Fertigungslinie bzw. einer Fertigungsstraße 200 für die Fertigung von Solarmodulen, von denen drei Solarmodule 210 bis 214 dargestellt sind. Die Solarmodule 210 bis 214 bzw. andere Halbleitermodule werden an einer Bestrahlungsanlage 201 vorbei transportiert, die bspw. zwei Linienlaser 220, 230, insbesondere mit zugehörigen Strahlformeinrichtungen enthält. Das Solarmodul 210 hat die Bestrahlungsanlage 201 und damit die Laser 220 und 230 be¬ reits passiert. Das Solarmodul 212 wird gerade an der Be- Strahlungsanlage 201 bestrahlt und das Solarmodul 214 soll noch an der Bestrahlungsanlage 201 bestrahlt werden.
Die Fertigungsstraße 200 enthält ein Transportsystem 202, bspw. basierend auf Transportrollen 202, 204 oder Transportbändern oder anderen Transportmitteln zum Transport der Solarmodule, z.B. 210 bis 214. Die Solarmodule 210 bis 214 werden in einer Transportebene 205 entlang eines Transportwe¬ ges in einer Transportrichtung 206 transportiert.
Es ergibt sich eine relative Bewegungsrichtung 208, die bspw. mit der relativen Richtung 16 übereinstimmt, siehe Figur 1. Zwischen nacheinander bestrahlten Solarmodulen 210 bis 214 kann es einen Abstand A10 geben, der bspw. einen Wert im Bereich von 1 Zentimeter bis zu mehreren Metern haben kann. Es kann aber auch ohne Abstand A10 gearbeitet werden. Der Laser 220 erzeugt einen linienförmigen Laserstrahl 222, der bspw. dem Strahl 12a entspricht. Ein Auftreffbereich 224 des Strahls 222 auf dem Solarmodul 210 enthält bspw. den Bestrahlungsbereich 13a, siehe Figur 1. Der Laser 220 erzeugt einen kristallisierten Bereich 226, der der einen Hälfte des Bereichs 22 entspricht.
Der Linienlaser 230 erzeugt einen Laserstrahl 232, der bspw. dem Strahl 12b entspricht. Eine Auftreff'linie" 234 bzw. ein Auftreffsteifen des Strahls 232 auf dem Solarmodul 210 ent- hält bspw. den Bestrahlungsbereich 13b, siehe Figur 1. Der Linienlaser 230 erzeugt einen kristallisierten Bereich 236, der der anderen Hälfte des Bereichs 22 entspricht.
Die Laser 220 und 230 und ggf. zugehörige Strahlformvorrich- tungen und ggf. auch zugehörige AnSteuereinheiten können bspw. an einem Montagegestell 240 montiert werden, das im Beispiel zwei Stützen enthält. Optional kann auch eine oder mehrere Querstreben verwendet werden. Es kann jedoch auch nur eine Stütze oder mehr als zwei Stützen geben. Auch können die Laser 230, 220 jeweils an einem eigenen Gestell montiert werden. Die Steuereinheiten können auch als Regelungseinhei-
ten ausgeführt werden bzw. Regelungseinheiten enthalten, insbesondere zur Regelung der Strahlintensität.
Die Solarmodule 210 bis 214 enthalten jeweils in parallel zueinander ausgerichteten Ebenen:
- ein Trägersubstrat 250, z.B. Glas, Keramik, Metall, usw.,
- eine oder mehrere Barriereschicht (en) 252,
- mindestens eine Halbleiterschicht oder mehrere Halbleiter¬ materialschicht (en) 254 bzw. eine zu kristallisierende
Schicht bzw. mehrere zu kristallisierende Schichten aus ande¬ rem Material als Halbleitermaterial.
Eine Strecke Sl liegt in Richtung der relativen Richtung 208. Die Strecke Sl ist bspw. länger als 0,5 Meter oder sogar länger als 1 Meter und kann der gesamten Modullänge des Moduls 212 entsprechen. Eine Strecke S2 liegt im Winkel von 90 Winkelgrad zu der Strecke Sl in der Modulebene. Die Strecke S2 ist bspw. länger als 15 Zentimeter oder länger als 30 Zentimeter. Es kann ein Einkristall 226, 236 erzeugt werden, der die Länge der Strecke Sl hat. Alternativ werden entlang der Strecke Sl mehrere Einkristalle erzeugt, die bspw. je¬ weils länger als 1 cm (Zentimeter) oder länger als 10 cm sind. Die Breite des Einkristalls 226, 236 bzw. der Einkris¬ talle kann mehrere Zentimeter betragen. Weitere Einkristalle können auf die gleiche Art links und/oder rechts neben den kristallisierten Bereichen 226, 236 erzeugt werden und bspw. das gesamte Modul 212 bzw. mindestens 90 Prozent der Obersei¬ te des Moduls 212 bedecken. Für die Erzeugung der weiteren Einkristalle können die Laservorrichtungen 220, 230 bzw.
weitere nicht dargestellte Laserstrahlen verwendet werden.
Die weiteren Laservorrichtungen können an der gleichen Bearbeitungsstation oder an nachfolgenden Bearbeitungsstationen angeordnet werden. Die Figur 4 zeigt zwei mit Überlappung U2 zueinander angeordnete Laserstrahlen 302, 304. Der Laserstrahl 302 hat ein glockenförmigen Intensitätsprofil, d.h. z.B. zweidimensionale
Gaußglockenverteilung . Der Laserstrahl 304 entspricht bspw. dem Laserstrahl 12b, d.h. linienförmige Fokussierung . Die beiden Laserstrahlen 302, 304 bilden ein Laserstrahlpaar 300, das gemeinsam über ein zu kristallisierendes Material 254 geführt wird, siehe Figur 3. In Figur 4 sind durch die Laser¬ strahlen 302, 304 bestrahlte Bereiche eingezeichnet, die bspw. mehr als 10 oder mehr als 30 Prozent der maximalen Strahlungsintensität des Laserstrahls 302 bzw. 304 haben. Ein Winkel W4 liegt zwischen der relativen Bewegungsrichtung 16b zwischen den Strahlen 302, 304 und dem zu kristallisierendem Material. Für den Winkel W4 gelten die oben zu den Winkeln Wl und W2 getroffenen Aussagen. Die Laserstrahlen 302, 304 erzeugen in einem zu kristallisierenden Material, z.B. Halbleiter, insbesondere Silizium, einen flüssigen Bereich 318 der durch eine Kristallisierungsgrenze 320 von bei der Kristallisierung entstehendem monokristallines Material 322 getrennt ist.
Die Kristallisierungsgrenze 320 hat einen Verlauf, an dem sich die Krümmungsrichtung drei Mal ändert, wobei in einem mittleren Bereich der Kristallisierungsgrenze 320 ein vor¬ springender Bereich des Einkristalls 322 entsteht. Weiterhin ist der Verlauf der Kristallisierungsgrenze 320 auf Grund der zueinander unsymmetrischen Strahlen 302, 304 ebenfalls unsymmetrisch.
Es können ähnliche Kristallisierungsvorgänge ablaufen, wie sie oben in der Einleitung und an Hand der Figur 1 erläutert worden sind.
Insbesondere wird durch die Überlappung U2 wieder ein Temperaturminimum in der Mitte der Kristallisierungsgrenze 320 erzeugt, von dem ausgehend die Kristallisierung nach außen hin zu einem linken Randabschnitt 326 bzw. zu einem rechten Randabschnitt 328 hin fortschreitet. Die Einbuchtung der
Kristallisierungsgrenze 320 kann auch stärker oder weniger stark ausgebildet sein, als in der Figur 4 dargestellt ist.
Die Figur 5 zeigt Linien gleicher Strahlungsintensität am Ende des linienförmigen Laserstrahls 12a. In einem kartesi- schen Ortskoordinatensystem sind eine x-Achse 400 und eine y- Achse 402 dargestellt.
Eine Linie 15a bzw. ein linienförmiger Bereich 15a entspricht dem Intensitätsmaximum. Eine Linie 410 entspricht einer Intensität von bspw. 75 Prozent des Intensitätsmaximums. Eine Linie 412 entspricht einer Intensität von bspw. 50 Prozent des Intensitätsmaximums, d.h. FWHM-Linie. Eine Linie 414 entspricht einer Intensität von bspw. 25 Prozent des Intensi- tätsmaximums .
Ein Abstand AI ist der Wert des Abstandes der Linie 412 von der Linie 15a entlang der x-Achse 400. Ein Abstand A2 ist der Wert des Abstandes der Linie 412 von der Linie 15a entlang der y-Achse 402. Der Abstand AI ist im Ausführungsbeispiel größer als der Abstand A2, bspw. um mindestens 50 Prozent des Abstandes A2. Durch diese Wahl der Abstände AI und A2 ergeben sich abgerundete Linien 410, 412 und 414, die für eine Über¬ lappung der Intensitätsprofile besonders gut geeignet sein können.
Die Figur 6 zeigt die Überlagerung zweier Strahlen mit sig- moid verlaufenden Strahlungsintensitätsflanken in einem Koordinatensystem 500. Auf der x-Achse des Koordinatensystems 500 ist eine Ortskoordinate auf der Linie bzw. auf der verlänger¬ ten Linie/Geraden des Strahlungsmaximums eines Linienstrahls abgetragen, siehe bspw. Linie 15a in der Figur 1.
Ein Strahlungsintensitätsverlauf 502 gilt bspw. für den ers- ter Strahl 12a. Bspw. genügt der Verlauf 502 der folgenden Formel :
y= 1/ (1+EXP (- (x+Ol) ) ) ,
wobei Ol ein Offsetwert ist, der eine Verschiebung der Funktion in Richtung der x-Achse bezeichnet, und wobei EXP die Exponentialfunktion ist. Ein Strahlungsintensitätsverlauf 504 gilt bspw. für den zwei¬ ten Strahl 12b. Der Strahlungsintensitätsverlauf 504 ist bspw. gleich einer Spiegelung des ersten Strahlungsintensitätsverlaufs 502 an der y-Achse des Koordinatensystems 500. Bspw. genügt der Verlauf 504 der folgenden Formel:
y= 1/ (1+EXP (x-Ol) ) ) ,
wobei Ol wieder der Offsetwert ist, der jetzt jedoch eine Verschiebung der Funktion entgegen der Richtung der x-Achse bezeichnet, und wobei EXP wieder die Exponentialfunktion ist. Ein Verlauf 506 gibt die Summe der Intensitäten 502 und 504 an, das heißt das Ergebnis der Überlagerung der beiden Strahlen. Der Verlauf 506 hat ein ausgeprägtes Minimum, das die Kristallisierung an derjenigen Stellen des zu kristallisierenden Materials begünstigt, die hauptsächlich durch das Minimum beeinflusst werden.
Der Offset Ol hat im Ausführungsbeispiel der Figur 6 den Wert -0,5. Aber auch andere Offsetwerte Ol können verwendet wer¬ den .
In der Praxis können noch steilere Intensitätsverläufe ver¬ wendet werden. Aber auch flachere Intensitätsverläufe können auftreten . Die in der Figur 6 dargestellten Sigmoidfunktionen 502 und
504 haben um einen Symmetriepunkt, d.h. Wendepunkt, Abschnit¬ te mit gleichem Krümmungsverlauf, wobei nur die Krümmungs¬ richtung entgegengesetzt ist. Überhöhungen der Summenfunktion 506 können damit vermieden werden.
Die Figur 7 zeigt ein Temperaturprofil Tl in dem zu kristal¬ lisierenden Material 254, bspw. an seiner Oberfläche, entlang des Schnittes Sl, siehe Figur 1, zu einem Zeitpunkt tl. Ein kartesisches Koordinatensystem 550 hat eine x-Achse 560, die den Abstand zu der Mittellinie 11, siehe Figur 1, zeigt. Eine y-Achse 562, zeigt die Temperatur des zu kristallisie¬ renden Materials am jeweiligen Ort der x-Achse an. Dabei ist Tsub die Substrattemperatur, die bspw. im Bereich von 300 Grad Celsius bis 750 Grad Celsius liegen kann. Die Schmelz¬ temperatur von Silizium liegt bei ca. 1414 Grad Celsius.
Eine Projektionslinie 600 entspricht dem Ort des unteren Randes des Strahls 12b, siehe Ort 0x2. Eine Projektionslinie 602 entspricht dem Ort des oberen Randes des Strahls 12b.
Der Temperaturverlauf Tl verläuft von einem lokalen Tempera¬ turminimum Tminl auf der Mittellinie 12 bzw. der Ortskoordinate x = 0 Millimeter kontinuierlich ansteigend bis zu einem Temperaturmaximum Tmaxl, das größer als die Schmelztemperatur von Silizium ist. Von dem Temperaturmaximum Tmaxl fällt die Temperatur dann innerhalb der beiden Projektionslinien 600 und 602 bis auf die Substrattemperatur Tsub ab. Zwischen dem Ort Oxl (x = 0 Millimeter bzw. Mittellinie 11) und dem Ort 0x2 gibt es einen Abstand Aa .
Die Figur 8 zeigt ein Temperaturprofil T2 in dem zu kristal¬ lisierenden Material 254, bspw. an seiner Oberfläche, entlang des Schnittes S2, siehe Figur 1, zu dem Zeitpunkt tl. Dieses Temperaturprofil Tl tritt außerdem zu einem Zeitpunkt t2 am Querschnitt Sl auf.
Dem Koordinatensystem 550 entspricht ein Koordinatensystem 550b. Der x-Achse 560 entspricht eine x-Achse 560b. Der y- Achse entspricht eine y-Achse 562b.
Eine Projektionslinie 610 entspricht dem Ort des unteren Randes des Strahls 12b, siehe Ort 0x3. Eine Projektionslinie 612 entspricht dem Ort des oberen Randes des Strahls 12b. Der Temperaturverlauf T2 verläuft von einem lokalen Tempera¬ turminimum Tmin2 auf der Mittellinie 12 bzw. der Ortskoordinate x = 0 Millimeter kontinuierlich ansteigend bis zu einem Temperaturmaximum Tmax2, das größer als die Schmelztemperatur von Silizium ist. Von dem Temperaturmaximum Tmax2 fällt die Temperatur dann innerhalb der beiden Projektionslinien 610 und 612 bis auf die Substrattemperatur Tsub ab. Das Tempera¬ turminimum Tmin2 ist dabei kleiner als das Temperaturminimum Tminl . Zwischen dem Ort Oxl (x = 0 Millimeter bzw. Mittellinie 11) und dem Ort 0x3 gibt es einen Abstand Ab, der größer als der Abstand Aa ist, weil im Schnitt S2 bzw. im Schnitt Sl zum Zeitpunkt t2 der Strahl 12b schon weiter außen liegt. Die Figur 9 zeigt ein Temperaturprofil T3 in dem zu kristal¬ lisierenden Material 254, bspw. an seiner Oberfläche, entlang des Schnittes S3, siehe Figur 1, zu dem Zeitpunkt tl. Dieses Temperaturprofil T3 tritt außerdem zu einem Zeitpunkt t3 am Querschnitt Sl auf.
Dem Koordinatensystem 550 entspricht ein Koordinatensystem 550c. Der x-Achse 560 entspricht eine x-Achse 560c. Der y- Achse entspricht eine y-Achse 562c. Eine Projektionslinie 620 entspricht dem Ort des unteren
Randes des Strahls 12b, siehe Ort 0x4. Eine Projektionslinie 622 entspricht dem Ort des oberen Randes des Strahls 12b.
Der Temperaturverlauf T3 verläuft von einem lokalen Tempera- turminimum Tmin3 auf der Mittellinie 11 bzw. der Ortskoordi¬ nate x = 0 Millimeter kontinuierlich ansteigend bis zu einem Temperaturmaximum Tmax3, das größer als die Schmelztemperatur
von Silizium ist. Von dem Temperaturmaximum Tmax3 fällt die Temperatur dann innerhalb der beiden Projektionslinien 620 und 622 bis auf die Substrattemperatur Tsub ab. Das Tempera¬ turminimum Tmin3 ist dabei kleiner als das Temperaturminimum Tmin2.
Zwischen dem Ort Oxl (x = 0 Millimeter bzw. Mittellinie 11) und dem Ort 0x4 gibt es einen Abstand Ac, der größer als der Abstand Ab ist, weil im Schnitt S3 bzw. im Schnitt Sl zum Zeitpunkt t3 der Strahl 12b noch weiter außen liegt als im Schnitt S2 bzw. im Schnitt Sl zum Zeitpunkt t2.
Für alle drei Figuren 7 bis 9 gilt, dass es sich um stark vereinfachte Temperaturverläufe handelt. Bspw. kann es weite- re Knicke im Temperaturverlauf geben, die den Schmelzvor¬ gang/Phasenänderung bzw. das Abkühlen bzw. (Re- ) Kristallisieren/Phasenänderung wieder geben.
Die in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Temperaturverläufe kön- nen symmetrisch zur y-Achse sein, wenn eine symmetrische
Strahlkonfiguration verwendet wird, wie bspw. in der Figur 1 gezeigt. Unsymmetrische Temperaturverläufe treten bspw. bei der in der Figur 4 gezeigten Strahlkonfiguration auf. Über die Winkel Wl bis W4 kann die Kristallisation ebenso beeinflusst werden wie über den Überlappungsgrad der beiden Strahlen. Die Überlappung kann insbesondere für die Keimbildung an der Spitze der Strahlkonfiguration maßgeblich sein. Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und be¬ schrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die of- fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den
Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die in der Einlei-
tung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen können untereinander kombiniert werden. Die in der Figurenbeschrei¬ bung genannten Ausführungsbeispiele können ebenfalls unter¬ einander kombiniert werden. Weiterhin können die in der Ein- leitung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen mit den in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Claims
1. Verfahren zum Kristallisieren eines Materials (254), wobei ein erster Strahl (12a, 222, 302) mit mindestens einer Strahlungsquelle (402 bis 408) erzeugt wird,
wobei ein zweiter Strahl (12b, 232, 304) mit mindestens einer weiteren Strahlungsquelle oder mit der mindestens einen
Strahlungsquelle erzeugt wird,
wobei der erste Strahl (12a, 222, 302) und der zweite Strahl (12b, 232, 304) auf ein zu kristallisierendes Material (254) derart gerichtet werden, dass sich der erste Strahl (12a, 222, 302) und der zweite Strahl (12b, 232, 304) auf dem zu kristallisierenden Material (254) überlappen (U) ,
wobei der erste Strahl (12a, 222) ein Strahl mit linienförmi- gern (15a) Intensitätsprofil (I) ist,
und wobei eine Linie (15a) größter Intensität (I) des ersten Strahls (12a) zu einer relativen Bewegungsrichtung (16) zwischen dem ersten Strahl (12a) und dem zu kristallisierendem Material (254) einen Winkel (Wl) bildet, der im Bereich von 91 Winkelgrad bis 165 Winkelgrad oder im Bereich von 100 Winkelgrad bis 135 Winkelgrad liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der erste Strahl (12a, 222, 302) und der zweite Strahl (12b, 232, 304) auf dem zu kristallisierenden Material (254) unter Bildung eines
Strahlungsintensitätsminimums (162) oder eines Bestrahlungs¬ stärkeminimums (162) überlappen (U) ,
wobei vorzugsweise das Intensitätsminimum (162) einen Wert im Bereich von 50 Prozent bis 90 oder 95 Prozent oder im Bereich von 60 Prozent bis 90 oder 95 bezogen auf ein Intensitätsma¬ ximum (164) des ersten Strahls (12a) hat.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, , wobei in einem Querschnitt im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des ersten Strahls (12a) die Länge (L2) des ersten Strahls (12a) mindestens 100 Mal, mindestens 1000
Mal oder mindestens 10000 Mal so groß wie die Breite (B2) des ersten Strahls (12a) in diesem Querschnitt ist,
und/oder wobei der zweite Strahl (12b) ein Strahl mit linien- förmigem (15b) Intensitätsprofil (I) ist,
wobei vorzugsweise in einem Querschnitt im Winkel von 90
Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des zweiten Strahls (12b) die Länge (L4) des zweiten Strahls (12b) mindestens 100 Mal, mindestens 1000 Mal oder mindestens 10000 Mal so groß wie die Breite (B4) des zweiten Strahls (12b) in diesem Querschnitt ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) in einem Querschnitt im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des ersten Strahls (12a) eine Länge (L2) von mindestens 1 Zentimeter, mindestens 10 Zentimetern oder mindestens 30 Zentimetern hat,
und/oder wobei der zweite Strahl (12b) in einem Querschnitt im Winkel von 90 Winkelgrad zur Ausbreitungsrichtung des zweiten Strahls (12b) eine Länge (L4) von mindestens 1 Zenti- meter, mindestens 10 Zentimetern oder mindestens 30 Zentime¬ tern hat,
wobei eine Abweichung von einem Intensitätsmaximum innerhalb der genannten Länge (L2, L4) kleiner als mindestens 5 Prozent oder kleiner als mindestens 2,5 Prozent ist, insbesondere in dem genannten Bereich des Verhältnisses von Länge zu Breite.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Linie (15a) größter Intensität des ersten Strahls (12a) und eine Linie (15b) größter Intensität des zweiten Strahls (12b) einen Winkel (W3) einschließen, der im Bereich von 30 Winkelgrad bis 178 Winkelgrad oder im Bereich von 90 Winkelgrad bis 160 Winkelgrad liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) durch mindestens drei oder durch mindestens fünf oder durch mindestens zehn Strahlungsquellen erzeugt wird, deren Strahlung einander überlagert wird, vor-
zugsweise zu jeweils mindestens 90 Prozent oder zu mindestens 95 Prozent der Bestrahlungsfläche (13a) des ersten Strahls (12a) ,
und/oder wobei der zweite Strahl durch mindestens drei oder durch mindestens fünf Strahlungsquellen erzeugt wird, deren Strahlung einander überlagert wird, vorzugsweise zu jeweils mindestens 90 Prozent oder zu mindestens 95 Prozent der Be¬ strahlungsfläche (13b) des zweiten Strahls (12b).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) elektro¬ magnetische Strahlen sind,
und vorzugsweise die gleiche Wellenlänge haben, vorzugsweise im Bereich von 300 Nanometer bis 1400 Nanometer oder im Be- reich von 500 Nanometer bis 1000 Nanometer.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) kohärente Strahlen sind, vorzugs¬ weise LASER Strahlen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) Elektronenstrahlen oder Wärmestrahlen sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (254) ein Halbleitermaterial ist, insbesondere Silizium oder ein Silizium enthaltendes Material,
und wobei vorzugsweise die Schichtdicke des Materials (254) im Bereich von 1 Mikrometer bis 20 Mikrometer oder bis 25 Mikrometer liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (252) auf einem Trägersubstrat (250) angeordnet wird, insbesondere auf einem Glassubstrat (250),
wobei vorzugsweise das Trägersubstrat (250) eine Größe hat, die mindestens einen halben Quadratmeter, mindestens einen Quadratmeter oder mindestens zwei Quadratmeter beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) und der zweite Strahl (12b) kontinu¬ ierlich strahlen, insbesondere für ein Zeit, in der sie über eine Strecke (Sl) auf dem Material (254) geführt werden, die länger als 1 Zentimeter oder länger als 10 Zentimeter ist, wobei vorzugsweise die Überlappung (U) unverändert bleibt, und/oder wobei die Strahlen (12a, 12b) eine Kristallisation des Materials (254) unter Bildung mindestens eines Einkris- talls (22) oder einer Vielzahl von Einkristallen mit einer Länge größer als 1 Zentimeter oder größer als 10 Zentimeter und vorzugsweise mit einer Breite größer als 100 Mikrometer, größer als 1 Millimeter oder größer als 1 Zentimeter bewirkt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) an seinem überlappenden Ende entlang einer verlängerten Mittellinie des linienförmigen Intensitätsprofils des ersten Strahls (12a) eine Intensitätsflanke hat, die um mindestens 50 Prozent oder um mindestens 100 Prozent länger als eine Intensitätsflanke ist, die im Winkel von 90 Winkelgrad an der Mittellinie des linienförmigen In¬ tensitätsprofils liegt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem überlappenden Ende des ersten Strahls (12a) und/oder an dem überlappenden Ende des zweiten Strahls (12b) mindes¬ tens eine Linie (410 bis 414) gleicher Intensität oder alle Linien (410 bis 414) gleicher Intensität ein Krümmungsmaximum haben, das auf einer verlängerten Mittellinie eines linien- förmigen Intensitätsmaximums des betreffenden Strahls (12a, 12b) liegt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strahl (12a) und/oder der zweite Strahl (12b) entlang einer verlängerten Mittellinie seines linienförmigen Strahlprofils eine Intensitätsflanke (502, 504) hat, die in einem oberen Abschnitt einen Krümmungsverlauf hat, der mit dem Krümmungsverlauf in einem unteren Abschnitt überein-
stimmt, wobei jedoch die Krümmungsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind,
und/oder wobei sich der obere Abschnitt über mindestens 20 Prozent oder mindestens 40 Prozent der Intensitätsflanke erstreckt,
und/oder wobei die Intensität an der Intensitätsflanke (502, 504) gemäß einer Sigmoidfunktion verläuft.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zu kristallisierendem Material (254) entlang eines
Querschnittes (Sl), der im Winkel von 90 Winkelgrad zu einer relativen Bewegungsrichtung (16, 16b) zwischen den Strahlen (12a, 12b) und dem zu kristallisierendem Material (254) liegt, zu einem ersten Zeitpunkt (tl) der folgende erste Temperaturverlauf (Tl) vorliegt:
ein erstes Temperaturminimum (Tminl) liegt an einem ersten Ort (Oxl) vor,
ein erstes Temperaturmaximum (Tmaxl) liegt an einem zweiten Ort (0x2) vor, der zu dem ersten Ort (Oxl) einen ersten Ab- stand (Ab) hat,
zu einem zweiten Zeitpunkt (t2), der nach dem ersten Zeitpunkt (tl) liegt, liegt der folgende zweite Temperaturverlauf (T2) vor:
ein zweites Temperaturminimum (Tmin2) liegt an dem ersten Ort (Oxl) vor, wobei das zweite Temperaturminimum (Tmin2) kleiner als das erste Temperaturminimum (Tminl) ist,
ein zweites Temperaturmaximum (Tmax2) liegt an einem dritten Ort (0x3) vor, der zu dem ersten Ort (Oxl) einen zweiten Abstand (Ab) hat, wobei der zweite Abstand (Ab) größer als der erste Abstand (Aa) ist,
und/oder zu einem dritten Zeitpunkt (t3) , der nach dem zweiten Zeitpunkt (t2) liegt, liegt der folgende dritte Tempera¬ turverlauf (T3) vor:
ein drittes Temperaturminimum (Tmin3) liegt an dem ersten Ort (Oxl) vor, wobei das dritte Temperaturminimum (Tmin3) kleiner als das zweite Temperaturminimum (Tmin2) ist,
ein drittes Temperaturmaximum (Tmax3) liegt an einem vierten Ort (0x4) vor, der zu dem ersten Ort (Oxl) einen dritten Abstand (Ac) hat, wobei der dritte Abstand (Ac) größer als der zweite Abstand (Ab) ist,
und wobei vorzugsweise das erste Temperaturmaximum (Tmaxl) und/oder das zweite Temperaturmaximum (Tmax2) und/oder das dritte Temperaturmaximum (Tmax3) gleiche Temperaturwerte (T) haben .
17. Halbleitermodul (210 bis 214), insbesondere nach einem
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestelltes Halbleitermodul (210 bis 214) .
18. Bestrahlungsanlage (200), insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder ins¬ besondere zum Herstellen eines Halbleitermoduls (210 bis 214) nach Anspruch 17,
vorzugsweise mit einer Transportvorrichtung (202 bis 205) für Trägersubstrate (250), die eine Größe von mindestens einem halben Quadratmeter, einem Quadratmeter oder von mindestens zwei Quadratmetern haben,
mit einer ersten Bestrahlvorrichtung (220) zum Bestrahlen des Trägersubstrats (250) oder eines Trägersubstrates (250), und mit einer zweiten Bestrahlvorrichtung (230) zum gleich- zeitigen Bestrahlen desselben Trägersubstrats (250).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2014/060977 WO2015180759A1 (de) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | Verfahren zum kristallisieren eines materials, halbleitermodul und bestrahlungsanlage |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2015180759A1 true WO2015180759A1 (de) | 2015-12-03 |
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ID=50943287
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| PCT/EP2014/060977 WO2015180759A1 (de) | 2014-05-27 | 2014-05-27 | Verfahren zum kristallisieren eines materials, halbleitermodul und bestrahlungsanlage |
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|---|---|
| WO (1) | WO2015180759A1 (de) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01239837A (ja) * | 1988-03-19 | 1989-09-25 | Nippon Denso Co Ltd | 再結晶化方法 |
| JP2000091231A (ja) * | 1998-09-16 | 2000-03-31 | Toshiba Corp | 多結晶の成長方法及び製造装置 |
| US20030153182A1 (en) * | 2001-11-30 | 2003-08-14 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation apparatus |
-
2014
- 2014-05-27 WO PCT/EP2014/060977 patent/WO2015180759A1/de active Application Filing
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH01239837A (ja) * | 1988-03-19 | 1989-09-25 | Nippon Denso Co Ltd | 再結晶化方法 |
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