DE19839718A1 - Laser crystallization or crystal structure alteration of amorphous or polycrystalline semiconductor layers comprises paired laser pulse irradiation for extended melt time while maintaining a low substrate temperature - Google Patents

Laser crystallization or crystal structure alteration of amorphous or polycrystalline semiconductor layers comprises paired laser pulse irradiation for extended melt time while maintaining a low substrate temperature

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DE19839718A1
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Abstract

Amorphous semiconductor layer crystallization or polycrystalline semiconductor layer crystal structure alteration is achieved by paired laser pulse irradiation to provide an extended melt time while maintaining a low substrate temperature. Crystallization of amorphous semiconductor layers or alteration of the crystal structure of polycrystalline semiconductor layers is carried out by irradiation with laser pulses (LP1, LP2) from two pulsed laser beam sources. The laser pulse pair has the following properties: (a) the pulses overlap or pulse LP2 follows pulse LP1 by a short spacing (shorter than the melting time of the target material); (b) pulse LP1 (preferably with a typical width of 10-50 nsec.) causes brief total or partial melting of the irradiated area, while pulse LP2 is homogeneous and is absorbed in the target surface region melted by LP1 to prolong the melting time; (c) pulse LP1 has a wavelength such that it reaches a depth less than or equal to the layer thickness, while pulse LP2 has a wavelength of LP2 such that it reaches a depth in the micron range in the solid material but only a few (up to 30) nm in the liquid material so that the liquid material selectively absorbs the radiation; (d) the intensity, pulse width and pulse spacing have such values that, at similar fluences (F = intensity x pulse width, i.e. I \* tau ) of LP1 and LP2, the intensity of LP2 is large enough to avoid re-solidification of the melt after the end of LP1, with the proviso that tau 1 is less than tau 2, I1 is greater than I2 and the ablation threshold for LP2 restricts its fluence.

Description

A. EinleitungA. Introduction

Die vorliegende Patentschrift beschreibt ein Verfahren in dem mittels gepulster Laserstrahlung dünne amorphe Silizium-(a/Si)Filme, oder evtl. auch a/SiGe und a/Ge-Filme oder andere Halbleiterschichten, die auf amorphen Unterlagen deponiert werden erschmolzen und rekristallisiert werden. Dabei ist es das technische Ziel des Verfahrens zu erreichen, daß das rekristallisierte Material am Ort des aktiven Kanals zu prozessierender Bauelemente (z. B.) Dünnfilmtransistoren (TFTs) in wenigen Quadratmikrometern großen Inseln einkristallin und defektfrei kristallisiert wird. Klassische epitaktische Verfahren scheiden für die Deposition dünner Schichten auf amorphen Unterlagen aus. Demzufolge müssen alternative Prozesse erschlossen werden, die zu einkristallinen Schichten führen. Die etablierten Methoden zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente auf Siliziumbasis (z. B.) basieren auf zwei unflexiblen Prozessen.The present patent describes a method in which thin amorphous silicon (a / Si) films, or possibly also a / SiGe and a / Ge films or other semiconductor layers which are deposited on amorphous substrates, are melted and recrystallized by means of pulsed laser radiation. It is to achieve the technical goal of the process is that the recrystallized material at the location of the active channel to prozessierender components (z. B.) thin film transistors (TFT's) in a few square micrometers large islands of single crystal is crystallized and defect-free. Classic epitaxial processes are ruled out for the deposition of thin layers on amorphous substrates. As a result, alternative processes must be developed that lead to single-crystal layers. The established methods for manufacturing silicon-based microelectronic components (e.g.) are based on two inflexible processes.

1. Bauelemente müssen auf einkristallinen Siliziumsubstraten (Wafern) hergestellt werden.1. Components have to be manufactured on single-crystalline silicon substrates (wafers).

2. viele monolithische Integrationsprozesse (Lithographie, Oxidation, Dotierung mittels Diffusion oder Implantation, Defektausheilung, Beschichtung, Kontaktierung, "Packaging" MOS Prozeßintegration) verlangen nach hohen Prozeßtemperaturen. Diese beiden Anforderungen limitieren die technologischen Anwendungen für Silizium-Dünnfilmtechnologie. Falls man diesen Limitierungen begegnen kann ohne auf Bauelementqualität verzichten zu müssen ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen denkbar:
2. Many monolithic integration processes (lithography, oxidation, doping by means of diffusion or implantation, defect healing, coating, contacting, "packaging" MOS process integration) require high process temperatures. These two requirements limit the technological applications for silicon thin film technology. If you can meet these limitations without sacrificing component quality, a variety of other applications are conceivable:

  • 1. Bauelementstrukturen auf temperatursensitiven (Plastik, Glas) Substraten und flexiblen Substraten (Plastik). Dies heißt, daß alle Prozesse tieftemperaturkompatibel sind. 1. Component structures on temperature-sensitive (plastic, glass) substrates and flexible Substrates (plastic). This means that all processes are compatible with low temperatures.  
  • 2. dreidimensionale Integration bei Verzicht auf Hochtemperaturprozesse.2. three-dimensional integration without high-temperature processes.

Für derartige Bauelementanwendungen z. B. (TFTs auf Glas) ist die Schlüsselgröße die strukturelle und damit einhergehend die elektrische Qualität der dünnen Si-Schicht. Diese muß im aktiven Kanal des Bauelementes möglichst defektfrei sein (einkristallin) oder aber allenfalls Kristalldefekte in kontrollierter reproduzierbarer Dichte, Population und Verteilung aufweisen. Tieftemperaturkompatibles und gleichzeitig einkristallines oder sogenanntes "artificially controlled defected", Si-Wachstum auf nichtkristallinen (amorphen) Unterlagen ist erst mit der gepulsten Laserkristallisation möglich geworden. Der Laserschmelz- und Kristallisationsprozeß ist dank detaillierter Untersuchungen von J. S. Im et al [1, 2] in den Grundzügen verstanden. Hieraus läßt sich erfindungsgemäß ein modifiziertes Verfahren angeben, bei dem als Folge eines kontrollierten starken Temperaturgefälles zwischen den auf Si-Dünnfilmtechnologie basierenden Strukturen (Bauelementen) und der Substratunterlage einkristallines Wachstum ausgelöst bzw. stimuliert wird, wobei der wesentliche Temperatursprung im Substrat erzeugt wird, wobei jedoch die Tieftemperaturkompatibilität des Substrats eine partielle tolerierbare Einschränkung erfährt.For such component applications such. B. (TFTs on glass) is the key size structural and associated electrical quality of the thin Si layer. This must be as defect-free as possible in the active channel of the component (single-crystal) or at most Show crystal defects in controlled, reproducible density, population and distribution. Low-temperature compatible and at the same time monocrystalline or so-called "artificially controlled defected ", Si growth on non-crystalline (amorphous) substrates is only possible with the pulsed laser crystallization has become possible. The laser melting and crystallization process is largely understood thanks to detailed studies by J. S. Im et al [1, 2]. From this, a modified method can be specified according to the invention, in which a controlled strong temperature gradient between those based on Si thin film technology Structures (components) and the substrate base triggered single-crystal growth or is stimulated, whereby the substantial temperature jump is generated in the substrate, however the low-temperature compatibility of the substrate is partially tolerated.

B. Stand der TechnikB. State of the art

Eine amorphe Si-Schicht (a/Si) wird aufgeschmolzen durch einen Laserpuls (beispielsweise Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec), sobald die eingestrahlte Fluenz (Intensität/cm2 × Zeit) eine kritische Größe Fm am Ende des Laserpulses überschritten hat. Diese Werte hängen nur geringfügig von der Pulsdauer, aber dafür von der Schichtdichte und der Wellenlänge ab.An amorphous Si layer (a / Si) is melted by a laser pulse (for example wavelength 308 nm, pulse duration 20 nsec) as soon as the incident fluence (intensity / cm 2 × time) has exceeded a critical size F m at the end of the laser pulse. These values depend only slightly on the pulse duration, but on the layer density and the wavelength.

In unserem Beispiel beträgt Fm = 0,2 J/cm2 für Schichtdicken von 0,2 µm.In our example, F m = 0.2 J / cm 2 for layer thicknesses of 0.2 µm.

Überschreitet man diesen Wert d. h. F < Fm, so erhält man nach Wiedererstarrung des Materials kristallisiertes Silizium, dabei existiert eine weitere kritische Fluenz Fm* < Fm, bei der ein totales Aufschmelzen der gesamten Schicht im Strahlbereich (homogenisierter Strahl) am Laserpulsende erreicht wird. Für 0,2 µm dicke Schichten beträgt dieser Wert Fm* ≈ 1,9 Fm. Bei Einstrahlung höherer Fluenzen ist das wiedererstarrte Material nanokristallin bzw. (je nach Größe von F) amorph. Die Zeit, die verstreicht zwischen dem totalen Aufschmelzen der Schicht und der Wiedererstarrung läßt sich mit transienter Reflexion messen. Sie beträgt 50 bis wenige 100 nsec. Es zeigt sich hierbei, daß die Erstarrungszeit abhängig von der Wärmeleitung des Substrates ist. Verwendet man als Unterlage Glas, so ergibt sich bei F ≈ 3-4 Fm wiederum Kristallwachstum bis zu Kristallitgrößen bis zu 1 µm, während bei Substraten aus einkristallinem Silizium (abgetrennt durch SiO2 Zwischenschichten bis zu 2 µm Dicke) auch bei hohen F-Werten nur nanokristallines Wachstum beobachtet wird.If this value is exceeded, ie F <F m , crystallized silicon is obtained after re-solidification of the material, and there is a further critical fluence F m * <F m , in which total melting of the entire layer in the beam region (homogenized beam) is achieved at the end of the laser pulse becomes. For 0.2 µm thick layers, this value is F m * ≈ 1.9 F m . When higher fluids are irradiated, the re-solidified material is nanocrystalline or (depending on the size of F) amorphous. The time that elapses between the total melting of the layer and the re-solidification can be measured with transient reflection. It is 50 to a few 100 nsec. It shows that the solidification time depends on the heat conduction of the substrate. If glass is used as the base, crystal growth up to crystallite sizes down to 1 µm is again obtained at F ≈ 3-4 F m , while with substrates made of single-crystal silicon (separated by SiO 2 intermediate layers up to 2 µm thick) even at high F Values only nanocrystalline growth is observed.

Dieser Sachverhalt geht einher mit einem Unterschied in der Materialschmelzdauer als Folge des Unterschiedes in der Wärmeleitfähigkeit des Substrats (Silizium hat eine etwa 50fach höhere Wärmeleitungskonstante) (bei Zimmertemperatur) als das nur phononisch wärmeleitende Glas. Die Untersuchungen mit den Glassubstraten wurden durchgeführt bei Beschichtung des amorphen Siliziums mit einer Wasser-Deckschicht, d. h. es existiert ein Trägheitseinschluß der durch die Laserstrahlung aufgeschmolzenen Schicht mit teilweiser Plasmabildung an der Oberfläche. Damit wird erreicht, daß die Temperatur des geschmolzenen Siliziums zu höheren Werten ansteigen kann, was natürlich auch verbunden ist mit einem höheren Druck in der Schmelze (Abschätzungen ergeben Drucke bis zu 3 kbar) [3].This is accompanied by a difference in the material melting time as a result of the Difference in the thermal conductivity of the substrate (silicon is about 50 times higher Heat conduction constant) (at room temperature) than the only phononically heat conductive glass. The investigations with the glass substrates were carried out when coating the amorphous silicon with a water overcoat, d. H. there is an inertial inclusion of melted by the laser radiation with partial plasma formation on the Surface. This ensures that the temperature of the molten silicon increases Values can increase, which is of course also associated with a higher pressure in the Melt (estimates give pressures up to 3 kbar) [3].

Die zu großen Kristallen führende Laserkristallisation bei Fluenzen < Fm* (Prozeßfenster) unter der Schwelle des totalen Aufschmelzens (bei 230 mJ/cm2) ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen der Im'schen Schule [1, 2] und hat zur Ausbildung und genaueren Untersuchung des SLG (superlateral growth)-Prozesses geführt. Auf diesem Kristallisationsfenster beruhen auch zahlreiche Anwendungen in technologischen Untersuchungen zur Dünnfilmkristallisation. Es ist ferner Stand der Technik, Laserkristallisation auf hocherhitzten Substraten nach diesem Verfahren herbeizuführen. In diesem Fall lassen sich bei Einstrahlung von Fluenzen von der Größenordnung Fm* bei Substrattemperaturen um 1175°C sehr lange Schmelzdauern herbeiführen. Es zeigt sich dann, daß die so erhaltene bis zu mehreren 100 µsec aufrechterhaltene unterkühlte Si-Flüssigkeit schließlich Keime bildet, aus denen einkristallines Wachstum erfolgt in einem Prozeßfenster ab 1100°C, wobei bei Präparation des Materials in Form von isolierten Si-Inseln (quadratische Form, Kantenlänge 50 µm) einkristallines Material resultiert mit niedrigen Defektdichten. Dieses letztere Verfahren führt zu den bisher größten einkristallinen Strukturen, die auf dem jetzigen Stand der Dünnschichttechnologie möglich sind. Die Methode ist wegen der Prozeßtemperatur von 1100°C beschränkt auf Materialien, die in diesem Temperaturbereich handhabbar sind, wie z. B. einkristallines Silizium, Quarzglas, sowie Al2O3-Keramiken. Aus Kostengründen, aber auch wegen der Attraktivität der Ausweitung dieser Technologie insbesondere für lichtdurchsichtige Bauelementstrukturen, ist es in hohem Maße wünschenswert, dies Verfahren auf tieftemperaturkompatible Substrate auszudehnen.The laser crystallization leading to large crystals at fluence <F m * (process window) below the threshold of total melting (at 230 mJ / cm 2 ) has been the subject of numerous investigations by the Im'sche Schule [1, 2] and has been used for training and more detailed investigation of the SLG (superlateral growth) process. Numerous applications in technological investigations for thin-film crystallization are based on this crystallization window. It is also prior art to bring about laser crystallization on highly heated substrates using this method. In this case, very long melting times can be achieved when irradiating fluences of the order of F m * at substrate temperatures around 1175 ° C. It then turns out that the supercooled Si liquid thus obtained, which is maintained for up to several 100 microseconds, finally forms nuclei, from which monocrystalline growth takes place in a process window from 1100 ° C., during preparation of the material in the form of isolated Si islands (square Shape, edge length 50 µm) single-crystalline material results with low defect densities. This latter process leads to the largest single-crystal structures to date, which are possible at the current state of thin-film technology. The method is limited because of the process temperature of 1100 ° C to materials that can be handled in this temperature range, such as. B. monocrystalline silicon, quartz glass, and Al 2 O 3 ceramics. For cost reasons, but also because of the attractiveness of the expansion of this technology, in particular for translucent component structures, it is highly desirable to extend this process to low-temperature compatible substrates.

C. Beschreibung der ErfindungC. Description of the invention

Es ist der Erfindungsgedanke, ein thermisches Verfahren vorzustellen, bei dem ein auf tiefer Temperatur befindliches Substrat sich in Kontakt befindet mit einer Hochtemperaturzone flüssigen Siliziums, bei dem das Ziel verfolgt wird, die Schmelzdauer des Siliziums in ein Zeitfenster von der Größenordnung einige × 10-7 sec bis hin zu einigen × 10-6 sec oder noch weiter auszudehnen, um auf diese Weise einen Kristallisationsprozeß in einer langsam erstarrenden Schmelze zu ermöglichen. Das Verfahren beruht auf dem Einsatz einer Zweistrahlbelichtungsmethode, wobei auf einer vorgegebenen Fläche ein Laserpuls 1 (abgekürzt LP 1) (z. B. Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec. Energiedichte ≈ 0,5-1 J/cm2) eine vorgegebene amorphe Si-Schicht (2) aufschmilzt mit einer Schichtanordnung nach Fig. 2 [Substrat z. B. Glas oder Kunststoff (1a) mit Schutzschicht z. B. aus SiO2 (1b)]. Dabei wird die oben definierte totale Aufschmelzfluenz Fm* (≈ 0,36 J/cm2 bei SiO2 confinement) (3) überschritten. Ein nachfolgender Laserpuls 2 (abgekürzt LP 2) dient dazu, vor dem totalen Erstarren der Schmelze einzusetzen und die Temperatur des Materials während einer genügend langen Zeit, nämlich während der Laserpulsdauer τ2 und darüber hinaus (Zeitdauer Größenordnung 0,1 bis 10 µsec, je nach zeitlichem Verlauf der Pulsamplitude) auf so hohem Wert aufrecht zu erhalten, daß dieses Material solange in Form einer unterkühlten Flüssigkeit bestehen bleibt, bis superlaterales Kristallwachstum oder spontane Kristallisation als Folge der (geringfügigen) Unterkühlung einsetzt (Typische Daten des LP 2 (Nd, YAG 1064 nm, Intensität am Anfang ≈ 300 kW/cm2 evtl. Intensität nach Zeitprogramm fallend, Gesamtpulsdauer bis zu 10-5 sec).It is the idea of the invention to present a thermal process in which a substrate located at a lower temperature is in contact with a high-temperature zone of liquid silicon, the aim of which is to melt the silicon in a time window of the order of a few × 10 -7 sec up to a few × 10 -6 sec or even further in order to enable a crystallization process in a slowly solidifying melt. The method is based on the use of a two-beam exposure method, with a laser pulse 1 (abbreviated to LP 1) (e.g. wavelength 308 nm, pulse duration 20 nsec.Energy density ≈ 0.5-1 J / cm 2 ) having a predetermined amorphous on a given area Si layer (2) melts with a layer arrangement according to FIG. 2 [substrate z. B. glass or plastic (1a) with a protective layer z. B. from SiO 2 (1b)]. The total melting fluence F m * (≈ 0.36 J / cm 2 for SiO 2 confinement) (3) defined above is exceeded. A subsequent laser pulse 2 (abbreviated LP 2) is used to set the melt completely before solidification and the temperature of the material for a sufficiently long time, namely during the laser pulse duration τ 2 and beyond (duration of the order of magnitude 0.1 to 10 μsec, each after the course of the pulse amplitude) to such a high value that this material remains in the form of a supercooled liquid until superlateral crystal growth or spontaneous crystallization occurs as a result of the (slight) supercooling (typical data of LP 2 (Nd, YAG 1064 nm, intensity at the beginning ≈ 300 kW / cm 2 possibly intensity falling according to time program, total pulse duration up to 10 -5 sec).

Dabei haben die Laserpulse LP 1 und LP 2 folgende Funktionen zu erfüllen:
The laser pulses LP 1 and LP 2 have the following functions:

  • 1. Die amorphe Si-Schicht ist aufzuschmelzen durch den Laserpuls LP 1. Sie wird im Verlauf des Laserpulses erwärmt bis zu einer Temperaturobergrenze die zum Ende des Pulses erreicht wird. Diese Obergrenze ist dann über die Intensität des Laserstrahls so einzustellen, daß eine Temperatur erreicht wird, die höher als die Schmelztemperatur ist, aber niedriger als die Temperatur, bei der eine evtl. anzubringende Deckschicht reißt oder wesentliche Ablation des Materials stattfindet. Empirische Werte für die Obergrenze ergeben dann Werte zwischen 1700°K und 4000°K [rechnerischer Wert, genauer abzuschätzen ist die damit verbundene Obergrenze der eingestrahlten Energie/cm2, die jedoch schichtdickenabhängig ist (z. B. Fobergrenze ≈ 0,5 bis 1,2 J/cm2 für eine Schichtdicke von 0,2 µm)]. Die auf diese Weise überhitzte Flüssigkeit, bei der ein eventuelles Sieden unter dem Einfluß des Trägheitseinschlusses der Si- Schicht (z. B. durch Beschichtung mit SiO2 oder bei Unterwasserbelichtung) weitgehend vermieden werden kann, kann jetzt über die phononische Wärmeleitung des Substrates die Wärme in Richtung Substratunterlage ableiten. Dabei ergibt sich bei Anwendung der nicht­ linearen Wärmeleitungsgleichung
    λ = Wärmeleitungskonstante, ρ = Dichte, c = spezifische Wärme des Substrates, η = Wärmeerzeugung pro Volumen im Substrat, T = Temperatur an der Grenze, Si-Schicht- Substratoberfläche und wobei η den durch den LP 2 eingestrahlten und von der Si-Schicht absorbierten Anteil des Energieflusses darstellt, dessen Transfer in das Substrat jedoch noch modellmäßig aufzubereiten ist.
    Diese Gleichung beschreibt in durchaus komplexer Weise das Wechselspiel zwischen der aus der Si Schicht in die Unterlage abfließenden Wärme und auf der anderen Seite die Erwärmung der Si-Schicht durch die eingestrahlte Energie des Laserpulses.    1. The amorphous Si layer is melted by the laser pulse LP 1. It is heated in the course of the laser pulse up to an upper temperature limit which is reached at the end of the pulse. This upper limit is then to be set via the intensity of the laser beam in such a way that a temperature is reached which is higher than the melting temperature but lower than the temperature at which a top layer which may have to be attached tears or substantial material ablation takes place. Empirical values for the upper limit then result in values between 1700 ° K and 4000 ° K [calculated value, the upper limit of the irradiated energy / cm 2 associated therewith, which is dependent on the layer thickness (e.g. F upper limit ≈ 0.5 to 1.2 J / cm 2 for a layer thickness of 0.2 µm)]. The liquid overheated in this way, in which a possible boiling under the influence of the inertial inclusion of the Si layer (e.g. by coating with SiO 2 or underwater exposure) can be largely avoided, the heat can now be obtained via the phononic heat conduction of the substrate derive towards the substrate. This results when using the non-linear heat conduction equation
    λ = heat conduction constant, ρ = density, c = specific heat of the substrate, η = heat generation per volume in the substrate, T = temperature at the boundary, Si layer-substrate surface and where η is the radiation emitted by the LP 2 and from the Si layer represents the absorbed part of the energy flow, the transfer of which, however, has to be prepared according to the model.
    This equation describes in a very complex way the interplay between the heat flowing out of the Si layer into the base and, on the other hand, the heating of the Si layer by the radiated energy of the laser pulse.
  • 2. Der Zeitpunkt, an dem die Größe dT/dt durch Kompensation der beiden Terme gleich Null wird, läßt sich durch physikalische Modellbetrachtungen abschätzen. Es zeigt sich, daß die zunächst einsetzende schnelle Abkühlung der hocherhitzten Flüssigkeit sich mehr und mehr verlangsamt und es ergibt sich, daß bei einem Energiefluß aus dem LP 2 von einigen hundert KW/cm2 eine Kompensation verbunden mit einem Temperaturminimum entsprechend dT/dt = 0 sich einstellen läßt bei Temperaturen (wählbar durch Einstellung der LP 2-Amplitude) um 1400 K bis 1700 K, so zu bemessen, daß gerade noch keine Wiedererstarrung der Flüssigkeit einsetzt. Die dann bei anhaltendem LP 2 einsetzende Erwärmung der Schicht läßt sich bei geeigneter Länge von LP 2 für eine bis einige Mikrosekunden aufrechterhalten (abhängig von der Si-Schichtdicke). Hierdurch ist eine Unterkühlphase mit Unterkühlungstemperaturen von wenigen 100 Grad K bei Zeitdauern im Mikrosekundenbereich machbar. Fig. 1 zeigt schematisch den gesamten Zeitverlauf der Temperatur in der Si-Schicht sowie den Verlauf der Intensitäten von LP 1 und LP 2 mit den folgenden Daten:
    Schichtdicke a/Si: 0,2 µm
    t1 = τ1 = 30 nsec (Die Intensität I1 beschreibt die in der Schicht deponierte Energie/Zeit.)
    t2 = τ2 = 500 nsec (I'2 = 3.105 W/cm2, I2 beschreibt die in das Substrat abfließende Energie/Zeit.)
    Die Laserpulse LP 1 und LP 2 haben dabei folgende Funktionen:    2. The point in time at which the quantity dT / dt becomes zero by compensating for the two terms can be estimated using physical model considerations. It can be seen that the rapid cooling of the highly heated liquid, which begins at first, slows down more and more, and it results that, with an energy flow from the LP 2 of a few hundred KW / cm 2, compensation is associated with a temperature minimum corresponding to dT / dt = 0 can be set at temperatures (selectable by setting the LP 2 amplitude) from 1400 K to 1700 K, such that the liquid just does not re-solidify. The heating of the layer, which then begins with persistent LP 2, can be maintained with a suitable length of LP 2 for one to a few microseconds (depending on the Si layer thickness). This enables a subcooling phase with subcooling temperatures of a few 100 degrees K for times in the microsecond range. Fig. 1 schematically shows the entire time course of the temperature in the Si layer, and the progress of the intensities of LP 1 and LP 2 with the following data:
    Layer thickness a / Si: 0.2 µm
    t 1 = τ 1 = 30 nsec (The intensity I 1 describes the energy / time deposited in the layer.)
    t 2 = τ 2 = 500 nsec (I ' 2 = 3.10 5 W / cm 2 , I 2 describes the energy / time flowing into the substrate.)
    The laser pulses LP 1 and LP 2 have the following functions:
  • 3. Laserpuls 1: Wellenlänge: 248 nm oder 308 nm (Excimer-Laser), aber auch frequenzverdoppelter oder verdreifachter Nd YAG-Laser oder Cu-Dampflaser sowie Ti- Saphirlaser (evtl. frequenzverdoppelt) möglich.
    Zeitdauer τ1 = 10 bis 30 nsec. Die maximale Temperatur Tmax in Fig. 1 ist bestimmt durch die Fluenz von LP 1. Die Lage des Temperaturminimums wird bestimmt durch den (komplizierten) zeitlichen Verlauf der Wärmeableitung sowie durch die wählbare Fluenz von LP 2. Die Höhe von Tmin ist so zu wählen, daß keine totale Erstarrung der Schicht vor Erreichen des zweiten Temperaturmaximums am Ende des LP 2 stattfindet. Tmin ist damit wenige 100K unterhalb der Schmelztemperatur der Schicht einzustellen. Die Eindringtiefe der Laserstrahlung (1/α)LP 1 sollte kleiner oder vergleichbar mit der Schichtdicke dsi sein Beispiel: (1/α)308 nm ≈ 10 nm.
    Die von der Schicht pro cm2 absorbierte Laserenergie beträgt F × (1-R), wobei für 308 nm R ≈ 90% beträgt (temperaturabhängig). Diese Energie wird durch elektronische Wärmeleitung auf die gesamte Si-Schicht verteilt (Zeitdauer < 10-11 sec).    3. Laser pulse 1: Wavelength: 248 nm or 308 nm (excimer laser), but also frequency-doubled or tripled Nd YAG laser or Cu vapor laser and Ti-sapphire laser (possibly frequency doubled) possible.
    Time period τ 1 = 10 to 30 nsec. The maximum temperature T max in FIG. 1 is determined by the fluence of LP 1. The position of the temperature minimum is determined by the (complicated) time course of the heat dissipation and by the selectable fluence of LP 2. The level of T min is thus too choose that the layer does not solidify completely before reaching the second temperature maximum at the end of the LP 2. T min can thus be set a few 100K below the melting temperature of the layer. The penetration depth of the laser radiation (1 / α) LP 1 should be smaller or comparable to the layer thickness d si Example: (1 / α) 308 nm ≈ 10 nm.
    The laser energy absorbed by the layer per cm 2 is F × (1-R), with R ≈ 90% for 308 nm (depending on temperature). This energy is distributed over the entire Si layer by electronic heat conduction (duration <10 -11 sec).
  • 4. Laserpuls 2: Energiebedarf etwa 0,1 bis 10 J/cm2, Zeitdauer (je nach Pulsform) 0,1-10 µsec. Bei sehr genauer Steuerung der Zeitabhängigkeit der Impulsamplitude sind auch noch höhere Energiedichten und größere Zeitdauern möglich. Zunächst soll der einfachste (und auch für Anwendungen wahrscheinlichste Fall) angenommen werden: Zeitdauer 0,5 µsec, Rechteckimpuls FLP 2 ≈ 0,15 J/cm2, Wellenlänge 1064 nm (Nd-YAG Laser). Für amorphes bzw. kristallines Si beträgt die Absorptionslänge (1/α)fest ≈ ein bis mehrere Mikrometer, so daß das Material bei Schichtdicken von wenigen 100 nm nicht aufgeschmolzen wird. Andererseits hat flüssiges Si metallähnlichen Charakter mit (1/α)flüssig ≈ 10 nm mit R ≈ 70%, so daß dieses die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad absorbiert.
    Dieser Sachverhalt, nämlich die Steigerung der Absorption der Strahlung des LP 2 durch die Si-Schicht beim Phasenübergang fest-flüssig um etwa zwei Größenordnungen ist ein wesentlicher Teil des Erfindungsgedankens. Dieser besagt, daß am Ende von LP 1 nur solches Material von der Erwärmung durch LP 2 erfaßt wird, das zu diesem Zeitpunkt in flüssiger Form vorliegt. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß eine räumliche Strukturierung der Bereiche mit großflächigen Kristalliten möglich.    4. Laser pulse 2: energy requirement about 0.1 to 10 J / cm 2 , duration (depending on pulse shape) 0.1-10 µsec. With very precise control of the time dependence of the pulse amplitude, even higher energy densities and longer time periods are possible. First, the simplest (and also the most probable case for applications) is to be assumed: duration 0.5 µsec, rectangular pulse F LP 2 ≈ 0.15 J / cm 2 , wavelength 1064 nm (Nd-YAG laser). For amorphous or crystalline Si, the absorption length (1 / α) is fixed ≈ one to several micrometers, so that the material is not melted at layer thicknesses of a few 100 nm. On the other hand, liquid Si has a metal-like character with (1 / α) liquid ≈ 10 nm with R ≈ 70%, so that it absorbs the radiation with high efficiency.
    This fact, namely the increase in the absorption of the radiation of the LP 2 by the Si layer during the phase transition from solid to liquid by about two orders of magnitude is an essential part of the inventive concept. This means that at the end of LP 1, only material that is present in liquid form at the time of heating by LP 2 is covered. In this way, spatial structuring of the areas with large-area crystallites is possible according to the invention.
  • 5. Räumliche Strukturen: Ausgehend vom jetzigen Stand der Technik sind jetzt mehrere Möglichkeiten der Dünnschichtkristallisation gegeben.
    • 5.a) SLG-Methode mit Strichmaske
      SLG = superlateral growth [1, 2]
      Eine Fläche wird durch eine Sequenz von Laserpulsen belichtet und kristallisiert. Eine Strichmaske erzeugt durch einen 308 nm (Beispiel) Excimerlaserpuls (hier: LP 1) eine aufgeschmolzene Zone makroskopischer Länge (z. B. Länge 50 µm) und mikroskopischer Breite (z. B. Breite 4 µm). Der nächste Puls wird aus dem Excimerlaser parallel zur Längsausdehnung um (z. B.) 3 µm versetzt eingestrahlt, so daß eine Überlappzone existiert von etwa 1 µm Breite. Die Bewegung wird z. B. durch ein Portalsystem erzeugt. Aus dieser Überlappung wachsen Kristallkeime in die jeweils neu aufgeschmolzene Zone. Die dabei kurzzeitig existierende Phasengrenze fest-flüssig wächst damit (weitgehend einkristallin) in das jeweils neu aufgeschmolzene Gebiet. Wird jetzt der LP 2 so dimensioniert, daß die bestrahlte Fläche, die der LP 1 aufgeschmolzen hat, belichtet wird, so bewirkt LP 2 erfindungsgemäß eine Verlängerung der Schmelzdauer, verbunden mit einem geringfügigen (vorteilhaftem) Eindringen der Schmelze in das Grenzgebiet fest-flüssig. Dazu ist keine räumliche Strukturierung des Strahlprofils des LP 2 vonnöten, da dieser im wesentlichen nur die jeweils flüssigen Bereiche erwärmt. LP 2 kann mithin flächenhaft (im allgemeinen homogenisiert) ausgelegt werden.
    • 5.b) Interferometrische Methode: Eine Modifikation dieses lateralen Kristallwachstums ist gegeben, wenn die Laserstrahlung des LP 1 (flächenhaft) als Interferenzstreifensystem eingestrahlt wird, wobei die Phasengrenze fest-flüssig die Zonen maximaler Intensität einschließt. Auch in diesem Falle wird eine Verlängerung der Schmelzdauer durch einen flächenhaft eingestrahlten LP 2 bewirkt. Da das einkristalline Wachstum nach dem jetzigen Stand der Technik auf wenige Mikrometer beschränkt bleibt, ist es sinnvoll, den Interferenzstreifenabstand ebenfalls auf wenige µm zu begrenzen. Aus diesem Grunde ist das Verfahren weniger für Excimerlaserpulse und dafür mehr für Laser mit kleiner Strahldivergenz geeignet. Frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Nd-YAG-Laser bieten sich hier beispielsweise an.
      In den Fällen 5a und 5b bilden räumliche Strukturen des Laserstrahls, die durch optische Mittel (Maske oder Interferenz) herbeigeführt wurden, räumlich kontrollierte Korngrenzen (sogenannte GLC = gram boundary location controllod-Si films) in der Siliziumschicht, die ausgehend von der Grenze fest-flüssig zu einem einkristallinen Wachstum im Gebiet der erstarrenden (unterkühlten) Flüssigkeit führen.
    • 5.c) Strukturierung der SiO2 Deckschicht: Verwendet man ein Streifensystem (3) oder ein System lokalisierter Inseln von SiO2 Deckschichten auf der (homogenen) a/Si-Schicht (2a, 2b) nach Fig. 3 so bewirkt nach J. S. Im und H. J. Kim [1, 2] das Antireflexverhalten der Deckschicht (schichtdickenabhängig) einen erhöhten Energieeinfall im Bereich unter den Streifen (oder Inseln), so daß sich eine fest-flüssig-Grenze durch geeignete Dimensionierung der Intensität des LP 1 (flächenhaft eingestrahlt) an den Grenzen der nicht beschichteten Bereiche linienhaft oder inselförmig einstellen läßt. Die an diesen Grenzen lokalisierten Kristalle wachsen dann wiederum bei Erstarrung in den flüssigen Bereich unter den Deckschichten hinein. Mit diesem Verfahren werden Flächenkristalle von mehreren Mikrometern Länge erzeugt.
    5. Spatial structures: Based on the current state of the art, there are now several options for thin-film crystallization.
    • 5.a) SLG method with line mask
      SLG = superlateral growth [1, 2]
      A surface is exposed and crystallized by a sequence of laser pulses. A line mask generates a melted zone of macroscopic length (e.g. length 50 µm) and microscopic width (e.g. width 4 µm) using a 308 nm (example) excimer laser pulse (here: LP 1). The next pulse is irradiated from the excimer laser parallel to the longitudinal extent offset by (for example) 3 μm, so that an overlap zone of approximately 1 μm width exists. The movement is e.g. B. generated by a portal system. From this overlap, crystal nuclei grow into the newly melted zone. The briefly existing solid-liquid phase boundary thus grows (largely monocrystalline) into the newly remelted area. If the LP 2 is now dimensioned in such a way that the irradiated area which the LP 1 has melted is exposed, then LP 2 brings about an increase in the melting time according to the invention, combined with a slight (advantageous) penetration of the melt into the border area solid-liquid. No spatial structuring of the jet profile of the LP 2 is necessary for this, since this essentially heats only the respective liquid areas. LP 2 can therefore be laid out over a large area (generally homogenized).
    • 5.b) Interferometric method: A modification of this lateral crystal growth is given when the laser radiation of the LP 1 (areal) is irradiated as an interference fringe system, whereby the solid-liquid phase boundary includes the zones of maximum intensity. In this case too, the melting time is prolonged by a surface-irradiated LP 2. Since, according to the current state of the art, single-crystalline growth remains limited to a few micrometers, it is sensible to also limit the interference fringe spacing to a few μm. For this reason, the method is less suitable for excimer laser pulses and more suitable for lasers with small beam divergence. Frequency-doubled or frequency-tripled Nd-YAG lasers are ideal here, for example.
      In cases 5a and 5b, spatial structures of the laser beam, which were brought about by optical means (mask or interference), form spatially controlled grain boundaries (so-called GLC = gram boundary location controllod-Si films) in the silicon layer, which start from the boundary. liquid lead to single-crystal growth in the area of the solidifying (supercooled) liquid.
    • 5.c) Structuring the SiO 2 cover layer: If a strip system (3) or a system of localized islands of SiO 2 cover layers is used on the (homogeneous) a / Si layer (2a, 2b) according to FIG. 3, according to JS Im and HJ Kim [1, 2] the anti-reflective behavior of the top layer (depending on the layer thickness) an increased energy incidence in the area under the strips (or islands), so that a solid-liquid boundary is obtained by appropriately dimensioning the intensity of the LP 1 (areal radiation) allows the boundaries of the non-coated areas to be set in a linear or island-like manner. The crystals located at these boundaries then grow again in solidification into the liquid area under the cover layers. With this process, surface crystals of several micrometers in length are produced.
  • 6. Spontane Kristallisation: Neben der beschriebenen SLG (superlateral growth)-Methode bei der stets ein laterales Temperaturgefälle in der Halbleiterschicht hergestellt werden muß, um laterales Kristallwachstum aus der Bereichsgrenze fest-flüssig zu stimulieren, läßt sich das Verfahren der Nachheizung mit einem zweiten Laserpuls auch anwenden für homogene Si- Schichten und für Schichten, bei denen das Silizium selbst strukturiert ist, nicht aber eine evtl. vorhandene transparente Deckschicht eine Struktur aufweist. In diesem Falle läßt sich durch den LP 1 das gesamte Material der Halbleiterschicht großflächig oder aber strukturiert aufschmelzen indem homogene Laserstrahlung verwendet wird. Kristallisation kann jetzt nur stattfinden nach einer gewissen Unterkühlungsphase aufgrund spontaner Kristallkeimbildung. Hierzu sind nach dem Stand der Technik Experimente mit sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Substratunterlage und den Si-Schichten in der flüssigen Phase sehr erfolgreich. Das hier vorgelegte Nachheizverfahren mit dem LP 2 erlaubt es jetzt, auf wesentliche Erwärmung der Substratunterlage zu verzichten. Der eingestrahlte LP 2 ist so zu dimensionieren, daß die Abkühldauer sich verlangsamt. Hierzu ist es evtl. von Nutzen, dem LP 2 einen zeitlichen Intensitätsverlauf aufzuprägen derart, daß die zeitabhängige Abkühlung der Si-Schicht durch Anpassung des zeitlichen Impulsverlaufes verzögert wird. In diesem Zusammenhang bieten sich neben den schon erwähnten Nd-YAG Lasern auch CO2 Laser- Pulse z. B. aus transversal gepumpten Lasern an. Neben dem Typus TEA (transversal excited atmospheric) sind für Pulsdauern mit Pulslängen im Mikrosekundenbereich (mit Pulsschwänzen) besonders transversal gepumpte Laser, die bei Drucken unter­ halb 1 Atmosphäre betrieben werden, von Interesse. Hier existieren mehrere Verfahren insbesondere mit höherem Stickstoffanteil und reduziertem CO2 Anteil im Lasergas und bei Verwendung geeigneter Resonatoren oder bei Kopplung zwischen einem CW-Laser und einem gepulsten TE-Laser (transversal excited) in einem gemeinsamen Resonator. Diese CO2- Langpulslaser haben Mikrosekundenpulse mit zeitlich abfallender Intensität und typische Intensitäten im 105 Watt-Bereich.6. Spontaneous crystallization: In addition to the described SLG (superlateral growth) method, in which a lateral temperature gradient must always be produced in the semiconductor layer in order to stimulate lateral crystal growth from the area boundary in a solid-liquid manner, the method of post-heating can be performed with a second laser pulse also use for homogeneous Si layers and for layers in which the silicon itself is structured, but not a possibly existing transparent cover layer has a structure. In this case, the entire material of the semiconductor layer can be melted over a large area or in a structured manner by the LP 1 by using homogeneous laser radiation. Crystallization can now only take place after a certain cooling phase due to spontaneous nucleation. According to the prior art, experiments with very small temperature differences between the substrate base and the Si layers in the liquid phase are very successful for this purpose. The post-heating process presented here with the LP 2 now makes it possible to dispense with substantial heating of the substrate base. The irradiated LP 2 is to be dimensioned so that the cooling time slows down. For this purpose it may be useful to impress the LP 2 with a temporal intensity curve such that the time-dependent cooling of the Si layer is delayed by adapting the temporal pulse curve. In this context, in addition to the already mentioned Nd-YAG lasers, CO 2 laser pulses are also available. B. from transversely pumped lasers. In addition to the type TEA (transversal excited atmospheric), transversely pumped lasers, which are operated at pressures under half an atmosphere, are of particular interest for pulse durations with pulse lengths in the microsecond range (with pulse tails). Several methods exist here, in particular with a higher nitrogen content and reduced CO 2 content in the laser gas and when using suitable resonators or when coupling between a CW laser and a pulsed TE laser (transversely excited) in a common resonator. These long-pulse CO 2 lasers have microsecond pulses with decreasing intensity and typical intensities in the 10 5 watt range.

Der Patentanspruch 1 beschreibt in pauschaler Weise die Anforderungen an die beiden verkoppelten Laserpulse basierend auf den hier dargestellten Erfindungsgedanken. Fig. 1 beschreibt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur in der Halbleiterschicht sowie einen typischen Verlauf der beiden eingestrahlten Laserpulse. Die Ansprüche 2 und 3 umreißen die zur Realisierung der Laserpulse LP 1 und LP 2 bevorzugten anwendbaren Lasertypen und nehmen Bezug auf die relevanten Intensitäten und Impulslängen. Die Ansprüche 4 bis 6 nehmen Bezug auf die bekannten Verfahren, die zum superlateralen Kristallwachstum führen. Der Anspruch 7 bezieht sich auf die spontane Kristallisation. Der Anspruch 8 nimmt Bezug auf die Anwendung des Verfahrens für die z. B. in der Solartechnik besonders interessanten Halbleitersubstanzen. Dem Anspruch liegt zugrunde, daß die in den Ansprüchen 2 und 3 zur Anwendung gelangenden Lasertypen auf Wellenlängen betrieben werden, die für alle Halbleiter des Anspruchs 8 geeignet sind, da die hierfür wesentlichen Voraussetzungen des Anspruch 1 nämlich ein steiler Abfall des Absorptionskoeffizienten α mit steigender Wellenlänge im sichtbaren Bereich (d. h. zwischen den Wellenlängen von LP 1 und LP 2) sowie Metallcharakter d. h. hoher Wert des Absorptionskoeffizienten im flüssigen Material für die Wellenlängen des LP 2 erfüllt sind.Claim 1 describes the requirements for the two coupled laser pulses in a general manner based on the inventive idea presented here. Fig. 1 schematically depicts the time course of temperature in the semiconductor layer, and a typical profile of the irradiated laser pulses. Claims 2 and 3 outline the laser types preferred for realizing the laser pulses LP 1 and LP 2 and make reference to the relevant intensities and pulse lengths. Claims 4 to 6 relate to the known methods which lead to superlateral crystal growth. The claim 7 relates to spontaneous crystallization. The claim 8 refers to the application of the method for the z. B. particularly interesting in solar technology semiconductor substances. The claim is based on the fact that the laser types used in claims 2 and 3 are operated at wavelengths which are suitable for all semiconductors of claim 8, since the essential requirements of claim 1 are namely a steep drop in the absorption coefficient α with increasing wavelength in the visible range (ie between the wavelengths of LP 1 and LP 2) and metal character, ie high value of the absorption coefficient in the liquid material for the wavelengths of LP 2 are met.

Literaturliterature

1, 2 H. J. Kim and J. S. Im Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings, Vol. 321, 1994 and Vol. 397, 1996 [3] S. Christiansen, G. Hintz, M. Albrecht, H. P. Strunk, Ch. Ziener, H. Schillinger, R. Sauerbrey, J. Christiansen Confinement in Laser crystallization of amorphous silicon layers on glass Phys. Stat. Sol. (a) 166, p. 675-685, 19981, 2 H. J. Kim and J. S. Im Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings, Vol. 321, 1994 and Vol. 397, 1996 [3] S. Christiansen, G. Hintz, M. Albrecht, H. P. Strunk, Ch. Ziener, H. Schillinger, R. Sauerbrey, J. Christiansen Confinement in Laser crystallization of amorphous silicon layers on glass Phys. Stat. Sol. (a) 166, p. 675-685, 1998

Claims (11)

1. Verfahren zur Kristallisation amorpher Halbleiterschichten sowie zur Veränderung der Kristallstruktur polykristalliner Halbleiterschichten durch Bestrahlung mit gepulster Laserstrahlung aus (mindestens) zwei verschiedenen Strahlquellen mit den Laserpulsen LP 1 und LP 2 nach Fig. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulspaare folgende Eigenschaften aufweisen.
  • a) Die Laserpulse überlappen zeitlich oder der LP 2 folgt dem LP 1 in kurzem zeitlichen Abstand (kleiner als die Schmelzdauer des Targetmaterials)
  • b) Der Laserpuls LP 1 (vorzugsweise mit einer typischen Zeitdauer von 10 bis 50 nsec) führt zum kurzzeitigen totalen oder partiellen Aufschmelzen der von ihm bestrahlten Fläche, wobei das Strahlprofil durch optische Maßnahmen eine räumliche oder raumzeitliche Struktur aufweisen kann. Der Laserpuls LP 2 ist homogen, vorzugsweise ist seine äußere räumliche Begrenzung gleich mit der äußeren Begrenzung des Profils von LP 1. Die Strahlung von LP 2 wird im wesentlichen im Bereich der durch LP 1 aufgeschmolzenen Gebiete der Targetoberfläche absorbiert und führt damit zur Verlängerung der Schmelzdauer in diesen Bereichen.
  • c) Die Wellenlänge der Strahlung des LP 1 ist so gewählt, daß deren Reichweite (1/α)LP 1 in der zu kristallisierenden Halbleiterschicht kleiner oder vergleichbar ist mit der Schichtdicke. Die Wellenlänge von LP 2 ist so gewählt, daß die Reichweite (1/α)LP 2 in dieser Schicht im festen Zustand mindestens im Mikrometerbereich liegt, jedoch nur einige Nanometer (bis zu 30 nm) im flüssigen Material beträgt, derart, daß flüssiges Material selektiv die Strahlung absorbiert.
  • d) Intensität und Pulsdauer sowie der zeitliche Abstand sind so bemessen, daß bei (vorzugsweise) vergleichbarer Fluenz (F = Intensität × Zeitdauer = Iτ) von LP 1 und LP 2 die Intensität von LP 2 so groß gewählt ist, daß in den relevanten Aufschmelzbereichen ein Wiedererstarren der Schmelze nach dem Ende von LP 1 weitgehend vermieden wird, mit der
    Vorschrift τ1 < τ2 vorzugsweise τ1 « τ2
    sowie I1 < I2, vorzugsweise I1 » I2
1. A method for crystallizing amorphous semiconductor layers and for changing the crystal structure of polycrystalline semiconductor layers by irradiation with pulsed laser radiation from (at least) two different beam sources with the laser pulses LP 1 and LP 2 according to FIG. 1, characterized in that the laser pulse pairs have the following properties.
  • a) The laser pulses overlap in time or the LP 2 follows the LP 1 in a short time interval (less than the melting time of the target material)
  • b) The laser pulse LP 1 (preferably with a typical duration of 10 to 50 nsec) leads to the brief total or partial melting of the surface irradiated by it, the beam profile being able to have a spatial or spatio-temporal structure through optical measures. The laser pulse LP 2 is homogeneous, preferably its outer spatial boundary is the same as the outer boundary of the profile of LP 1. The radiation from LP 2 is essentially absorbed in the region of the areas of the target surface melted by LP 1 and thus leads to an increase in the melting time in these areas.
  • c) The wavelength of the radiation of the LP 1 is chosen so that its range (1 / α) LP 1 in the semiconductor layer to be crystallized is smaller or comparable to the layer thickness. The wavelength of LP 2 is chosen so that the range (1 / α) LP 2 in this layer in the solid state is at least in the micrometer range, but is only a few nanometers (up to 30 nm) in the liquid material, such that liquid material selectively absorbs the radiation.
  • d) Intensity and pulse duration as well as the time interval are dimensioned such that, with (preferably) comparable fluence (F = intensity × duration = Iτ) of LP 1 and LP 2, the intensity of LP 2 is chosen so large that in the relevant melting ranges re-solidification of the melt after the end of LP 1 is largely avoided with the
    Regulation τ 1 <τ 2 preferably τ 1 «τ 2
    and I 1 <I 2 , preferably I 1 »I 2
wobei die Ablationsschwelle für LP 2 dessen Fluenz im wesentlichen begrenzt. the ablation threshold for LP 2 essentially limits its fluence.   2. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 1 entweder
  • a) Excimerlaser mit 248 bzw. 308 nm Wellenlänge oder
  • b) Kupferaufdampflaser oder
  • c) frequenzverdoppelte oder verdreifachte Nd-YAG Laser und zur Realisierung des LP 2 entweder
    • a) Nd-YAG Laserpulse mit 1064 nm Wellenlänge und Zeitdauern τ2 = 0,5 bis 2 µsec und Intensitäten bei dünnen Halbleiterschichten um 300 kW/cm2 sowie < 300 kW/cm2 bei dicken Schichten oder
    • b) CO2-Laserpulse mit 10,6 µm Wellenlänge aus TEA oder TE Lasern mit Hauptpulsen der Breite 100 bis 500 nsec und Pulsschwänzen von 1 bis 10 µsec Dauer
2. A method for the crystallization of semiconductor layers according to claim 1, characterized in that for the realization of the LP 1 either
  • a) Excimer laser with 248 or 308 nm wavelength or
  • b) copper vapor deposition laser or
  • c) frequency-doubled or tripled Nd-YAG lasers and to implement LP 2 either
    • a) Nd-YAG laser pulses with 1064 nm wavelength and time durations τ 2 = 0.5 to 2 µsec and intensities for thin semiconductor layers around 300 kW / cm 2 and <300 kW / cm 2 for thick layers or
    • b) CO 2 laser pulses with 10.6 µm wavelength from TEA or TE lasers with main pulses with a width of 100 to 500 nsec and pulse tails of 1 to 10 µsec duration
verwendet werden.be used. 3. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 2 abweichend von den Details des Anspruchs 1 nicht Einzelpulse mit den Daten I2, τ2 sondern statt dessen Pulsfolgen aus einer Relaxationsschwingung (sog. spiking) mit Einzelpulsbreiten um 1 µsec zur Anwendung kommen.3. A method for the crystallization of semiconductor layers according to claims 1 and 2, characterized in that not individual pulses with the data I 2 , τ 2 but instead of pulse sequences from a relaxation oscillation (so-called. spiking) with single pulse widths of around 1 µsec. 4. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Kristallwachstums der LP 1 eine Fläche oder mehrere Flächenstücke makroskopischer Länge (z. B. zwischen 30 µm bis zu einigen cm) und mikroskopischer Breite (z. B. einige µm) "linienhaft" aufschmilzt mit der Maßgabe, daß der LP 2 diese Fläche ebenfalls bestrahlt, derart, daß das jeweils folgende Laserpulspaar nach einer aufgeprägten Bewegung des Werkstücks entlang der aufgeschmolzenen Zonen partiell räumlich überlappt.4. A method for crystallizing semiconductor layers according to claims 1 to 3, characterized in that one area or more to trigger the superlateral crystal growth of the LP 1 Areas of macroscopic length (e.g. between 30 µm to a few cm) and microscopic width (z. B. a few microns) melts "linear" with the proviso that the LP 2nd this area is also irradiated in such a way that the following laser pulse pair after a imprinted movement of the workpiece along the melted zones partially spatially overlaps. 5. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Strukturierung des LP 1 herbeigeführt wird, (alternativ)
  • a) durch die Anwendung einer konventionellen Maske oder
  • b) durch ein Interferenzstreifensystem nach Durchgang der Strahlung des LP 1 durch ein konventionelles Interferometer.
5. A method for the crystallization of semiconductor layers according to claims 1 to 4, characterized in that the spatial structuring of the LP 1 is brought about (alternatively)
  • a) by using a conventional mask or
  • b) by an interference fringe system after the radiation of the LP 1 has passed through a conventional interferometer.
6. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Wachstums ein räumlich periodisches laterales Temperaturgefälle ausgelöst wird durch Anbringung einer periodisch strukturierten transparenten Deckschicht (3) (nach Fig. 3) (z. B. aus SiO2, z. B. streifenweise aufgebracht) mit der Maßgabe, daß wegen des Antireflexverhaltens der Anordnung das Material nur hinter den Deckschichten (3) total aufschmilzt und bei Erstarrung das superlaterale Wachstum aufweist, wobei die Erstarrung durch das zeitliche Verhalten der Abkühlung nach Bestrahlung durch LP 2 gesteuert wird.6. A method for the crystallization of semiconductor layers according to claims 1 to 3, characterized in that a spatially periodic lateral temperature gradient is triggered to trigger the superlateral growth by attaching a periodically structured transparent cover layer (3) (according to Fig. 3) (z. B. made of SiO 2 , e.g. applied in strips) with the proviso that due to the anti-reflective behavior of the arrangement, the material melts only behind the cover layers (3) and exhibits superlateral growth when solidified, the solidification due to the temporal behavior of the cooling is controlled after irradiation by LP 2. 7. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine homogene oder eine räumlich strukturierte Halbleiterschicht evtl. hinter einer homogenen transparenten Deckschicht durch LP 1 gleichmäßig aufgeschmolzen wird und daß der LP 2 die Aufschmelzdauer verlängert und die Abkühlgeschwindigkeit reduziert und damit das Einsetzen der spontanen Kristallisation verzögert und damit die Dichte der spontanen Kristallisationskeime reduziert.7. A method for the crystallization of semiconductor layers according to claims I to 3, characterized in that a homogeneous or a spatially structured semiconductor layer possibly behind a homogeneous transparent cover layer is melted evenly by LP 1 and that the LP 2 die The melting time is prolonged and the cooling rate is reduced and thus the onset the spontaneous crystallization is delayed and thus the density of the spontaneous crystallization nuclei reduced. 8. Laserkristallisation nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus einer der folgenden Substanzen besteht.
  • 1. amorphes Silizium aufgebracht nach einem der konventionellen Verfahren
  • 2. gemischt amorph-kristallines Silizium aufgebracht nach Laserstrahlablation aus einen Target
  • 3. Ge amorph oder amorph-kristallin
  • 4. GeSi amorph oder kristallin oder amorph-kristallin
  • 5. Ga-As amorph oder kristallin oder amorph-kristallin
8. Laser crystallization according to claims 1 to 7, characterized in that the semiconducting material consists of one of the following substances.
  • 1. Amorphous silicon applied by one of the conventional methods
  • 2. Mixed amorphous-crystalline silicon applied after laser beam ablation from a target
  • 3. Ge amorphous or amorphous-crystalline
  • 4. GeSi amorphous or crystalline or amorphous-crystalline
  • 5. Ga-As amorphous or crystalline or amorphous-crystalline
mit der Maßgabe, daß die amorph-kristallinen Modifikationen ebenfalls durch Laserstrahlablation hergestellt wurden.with the proviso that the amorphous-crystalline modifications also by laser beam ablation were manufactured.
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