DE3620300A1 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SINGLE-CRYSTAL THIN FILMS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SINGLE-CRYSTAL THIN FILMSInfo
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- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
Description
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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einkristalliner DünnfilmeMethod and apparatus for producing single crystal thin films
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einkristalliner Dünnfilme gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.The invention relates to a method and an apparatus for producing single-crystal thin films according to the respective Generic terms of the independent claims.
Durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung lassen sich einkristalline dünne Filme bzw. Schichten zur Verwendung im Bereich der industriellen Halbleitertechnik herstellen, beispielsweise mit Hilfe der sogenannten SOI-Methode (silicon on insulater), bei der ein Siliciumfilm auf einem Substrat erzeugt wird.The method and the device allow monocrystalline manufacture thin films or layers for use in the field of industrial semiconductor technology, for example with the help of the so-called SOI method (silicon on insulater), in which a silicon film is produced on a substrate.
Bisher wurde ein einkristalliner Dünnfilm so hergestellt, daß zunächst eine Halbleiterschicht durch Bestrahlung mit einem energiereichen Strahl geschmolzen wurde. Die geschmolzene Schicht konnte dann anschließend rekristallisieren. Jetzt wird beispielsweise monokristallines Silicium durch Rekristallisation von polykristallinem Silicium auf einem Isolator gebildet. Dieses Verfahren wird als sogenannte SOI-Technik bezeichnet.Heretofore, a single-crystal thin film has been produced in such a way that first a semiconductor layer is formed by irradiation with melted in a high-energy beam. The melted layer was then allowed to recrystallize. Now, for example, monocrystalline silicon is made by recrystallizing polycrystalline silicon formed on an insulator. This process is known as so-called SOI technology.
Die SOI-Technik wird nachfolgend anhand der Fig. 1 näher erläutert. Durch einen Energiestrahl d, beispielsweise durch einen Laserstrahl, durch Infrarotstrahlung oder Elektronenstrahlen einer Energiequelle c, beispielsweise einer Laserquelle, einer Wärmequelle oder einem Elektronenbeschleuniger, wird ein dünner, polykristalliner Siliciumfilm b bestrahlt, der auf einem Isolator a aus z. B. QuarzThe SOI technology is explained in more detail below with reference to FIG. 1 explained. By an energy beam d, for example by a laser beam, by infrared radiation or electron beams an energy source c, for example a laser source, a heat source or an electron accelerator, a thin, polycrystalline silicon film b is irradiated, which is on an insulator a made of z. B. Quartz
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angeordnet ist, so daß der polykristalline Siliciumfilm b zunächst schmilzt und anschließend rekristallisiert, um einen dünnen, einkristallinen Siliciumfilme zu bilden. In Fig. 1 ist mit c1 die Richtung angegeben, in der sich die Energiequelle c bewegt und den dünnen polykristallinen Siliciumfilm b abtastet. In einigen Fällen kann die polykristalline Siliciumschicht b durch eine Heizplatte oder eine Infrarot-Heizeinrichtung vorgewärmt werden, bevor die Bestrahlung zum Schmelzen der Probe durchgeführt wird. Beim Vorheizen der Probe tritt hier aber der Nachteil auf, daß der Schmelzzustand nicht direkt beobachtet werden kann, auch wenn der geschmolzene Bereich der Probe g von einer Kamera f beobachtet wird, da die Heizeinrichtung h zum Aufheizen der Probe g zwischen dieser und der Kamera f liegt und die Beobachtung unmöglich macht, wie die Fig. 2 zeigt.is arranged so that the polycrystalline silicon film b is first melted and then recrystallized to form a thin monocrystalline silicon film. In Fig. 1, c 1 indicates the direction in which the energy source c moves and scans the thin polycrystalline silicon film b. In some cases, the polycrystalline silicon layer b may be preheated by a hot plate or an infrared heater before the irradiation is carried out to melt the sample. When preheating the sample, however, the disadvantage arises that the melting state cannot be observed directly, even if the melted area of the sample g is observed by a camera f, since the heating device h for heating the sample g between this and the camera f and makes observation impossible, as FIG. 2 shows.
Im Zusammenhang mit der SOI-Technik ist es ebenfalls bekannt, einen Strahl mit zwei Maxima in der Energieverteilung einzusetzen, also einen Strahl mit zwei Spitzenwerten, wie anhand der Kurve A in Fig. 3 zu erkennen ist. Dieser Strahl wird auf das polykristalline Silicium gerichtet, um die Probe B zu schmelzen. Nimmt der Fest-Flüssig-Übergangsbereich des geschmolzenen Siliciums den in Fig. 3 mit C angegebenen Verlauf an, so beginnt das geschmolzene Silicium sich abzukühlen und zu verfestigen, und zwar ausgehend vom Zentrum des Abtastbereichs mit der Breite W in Richtung seiner Ränder. Dabei wird hocheinkristallines Silicium im Zentrum des Abtastbereichs gebildet. In der Fig. 3 ist mit D die Richtung bezeichnet, in der der Strahl die Probe abtastet. Die Energieverteilung des zwei Maxima aufweisenden Strahls ist mit E angegeben. Bei Verwendung eines Strahls mit zwei Maxima ist es zur Erzielung hocheinkristalliner Kristalle besonders wirksam, die Form des Fest-Flüssig-Übergangsbereichs des geschmolzenen Siliciums zu steuern, so daß sie einen optimalen Verlauf annimmt. Beim Stand der Technik ist die Form des Fest-Flüssig-Übergangs-In connection with SOI technology, it is also known to use a beam with two maxima in the energy distribution, i.e. a beam with two peaks, as can be seen from curve A in FIG. This beam is directed onto the polycrystalline silicon in order to to melt sample B. If the solid-liquid transition region of the molten silicon takes the one indicated by C in FIG Progresses, the molten silicon begins to cool and solidify, starting from Center of the scanning area with the width W towards its edges. Highly single crystalline silicon is used in the Center of the scanning area formed. In FIG. 3, D denotes the direction in which the beam scans the sample. The energy distribution of the beam having two maxima is indicated by E. When using a Beam with two maxima, the shape of the solid-liquid transition region is particularly effective for obtaining highly single-crystalline crystals to control the molten silicon so that it takes an optimal course. At the The state of the art is the form of the solid-liquid transition
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bereichs jedoch unbekannt.area, however, unknown.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß hochkristallinere Dünnfilme erhalten werden.The invention is based on the object of developing a device and a method of the type described so that that more highly crystalline thin films are obtained.
Die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Dagegen ist die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 10 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet. The device-side solution of the problem is given in the characterizing part of claim 1. In contrast, the procedural solution to the problem set is the characterizing part of claim 10 refer to. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the respective subordinate claims.
Eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Herstellung eines einkristallinen Dünnfilms durch Bestrahlung einer Halbleiterschicht mittels eines durch eine Strahlungsquelle erzeugten Energiestrahls, um die Halbleiterschicht bereichsweise zu schmelzen, sowie durch Rekristallisation der geschmolzehen Bereiche, zeichnet sich aus durch eine Einrichtung zur Erfassung von Licht, das von der Halbleiterschicht abgestrahlt wird.An apparatus according to the invention for producing a single crystal thin film by irradiating a semiconductor layer by means of an energy beam generated by a radiation source, around the semiconductor layer in areas to melt, as well as by recrystallization of the melted areas, is characterized by a device for detecting light emitted from the semiconductor layer.
Die Einrichtung zur Lichterfassung enthält vorzugsweise
einen Filter, der nur das von der Halbleiterschicht abgestrahlte Licht hindurchläßt, so daß die Primärstrahlung,
die zum Schmelzen der Halbleiterschicht verwendet wird, herausgefiltert wird und nicht zur Lichterfassungseinrichtung
gelangt.
30The device for light detection preferably contains a filter which only lets through the light emitted by the semiconductor layer, so that the primary radiation which is used to melt the semiconductor layer is filtered out and does not reach the light detection device.
30th
Die Einrichtung zur Lichterfassung kann vorzugsweise einen Lichtverschluß enthalten, der zeitlich synchron mit ihr betreibbar ist.The device for light detection can preferably one Light shutter included, which can be operated synchronously with it in terms of time.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zur Lichterfassung mit einem Monitor zurAccording to an advantageous embodiment of the invention is the device for light detection with a monitor for
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bildlichen Darstellung des von ihr erfaßten Lichtmusters verbunden. Sie kann aber auch mit einer Steuereinrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen in Abhängigkeit des von ihr erfaßten Lichtmusters verbunden sein, um mit Hilfe dieser Steuersignale, die mit Standardsignalen verglichen werden, Signale zu erzeugen, durch die die Bestrahlungsbedingungen £ür die Halbleiterschicht verändert bzw. auf gewünschte Werte eingestellt werden können.pictorial representation of the light pattern detected by it. But you can also use a control device to generate control signals as a function of the light pattern detected by it to be connected to with the help these control signals, which are compared with standard signals, generate signals that determine the irradiation conditions Can be changed or set to desired values for the semiconductor layer.
Der Energiestrahl zum Schmelzen der Halbleiterschicht kann vorteilhaft ein erster Laserstrahl sein, wobei ein zweiter Laserstrahl vorhanden ist, der dem ersten Laserstrahl voranläuft und zum Vorwärmen der Halbleiterschicht dient.The energy beam for melting the semiconductor layer can advantageously be a first laser beam, with a second There is a laser beam which precedes the first laser beam and serves to preheat the semiconductor layer.
Beide Laserstrahlen können durch getrennte Laserstrahlquellen erzeugt sein, aber auch aus einem einzelnen Laserstrahl mittels einer Strahlaufweitungsoptik und einer Abbildungseinrichtung mit bereichsweise unterschiedlichen Brennweiten gebildet sein.Both laser beams can be generated by separate laser beam sources, but also from a single laser beam by means of a beam expansion optics and an imaging device with different areas Focal lengths be formed.
Vorzugsweise ist der den ersten Laserstrahl erzeugende Bereich der Abbildungseinrichtung in zwei Teile unterteilt, um einen Schmelzstrahl mit zwei Strahlungsmaxima zu erhalten. The area of the imaging device generating the first laser beam is preferably divided into two parts, to get a melt jet with two radiation maxima.
Die Einrichtung zur Lichterfassung liegt dabei der einen Seite der Halbleiterschicht gegenüber, während die andere Seite der Halbleiterschicht bestrahlbar ist.The facility for light detection is one of them Side of the semiconductor layer opposite, while the other side of the semiconductor layer can be irradiated.
Ein Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung eines einkristallinen Dünnfilms durch Bestrahlung einer Halbleiterschicht mittels eines durch eine Strahlungsquelle erzeugten Energiestrahls, um die Halbleiterschicht bereichsweise zu schmelzen, sowie durch Rekristallisation der geschmolzenen Bereiche, zeichnet sich dadurch aus, daß von der Halbleiterschicht abgestrahltes Licht detek-A method according to the invention for producing a single crystal thin film by irradiating a semiconductor layer by means of an energy beam generated by a radiation source, around the semiconductor layer in areas to melt, as well as by recrystallization of the melted areas, is characterized by that light emitted by the semiconductor layer detects
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tiert wird, und der Schmelzzustand der Halbleiterschicht in Abhängigkeit des detektierten Lichts eingestellt wird.and the melting state of the semiconductor layer is adjusted depending on the detected light.
Vorzugsweise werden zur Einstellung des Schmelzzustands der Halbleiterschicht ihre Bestrahlungsbedingungen verändert. Preferably used to adjust the melt state the semiconductor layer changes its irradiation conditions.
Entsprechend der Erfindung wird also zur Herstellung eines hochkristallinen Dünnfilms bzw. einer hochkristallinen dünnen Schicht das von der Halbleiterschicht abgestrahlte Licht detektiert, um anhand des Detektorergebnisses die Bestrahlungsbedingungen für die Halbleiterschicht so zu verändern, daß das gewünschte hochkristalline Material erhalten wird. Mit Hilfe der genannten Lichterfassungseinrichtung lassen sich die Form und die Größe des Fest-Flüssig-Übergangsbereichs der Halbleiterschicht bestimmen, die vom Schmelzstrahl beaufschlagt und bereichsweise geschmolzen wird. Durch Vergleich von Größe und Form des Fest-Flüssig-Übergangsbereichs mit vorbestimmten Werten können somit optimale Ergebnisse hinsichtlich des einkristallinen Aufbaus der Filme bzw. Schichten erhalten werden, wenn anhand des Vergleichsergebnisses die Bestrahlungsbedingungen für die Halbleiterschicht entsprechend eingestellt werden.According to the invention, therefore, for the production of a highly crystalline thin film or a highly crystalline thin film Layer detects the light emitted by the semiconductor layer in order to determine the irradiation conditions on the basis of the detector result to change for the semiconductor layer in such a way that the desired highly crystalline material is obtained will. The shape and size of the solid-liquid transition area can be determined with the aid of the said light detection device determine the semiconductor layer, which is acted upon by the melt jet and melted in areas will. By comparing the size and shape of the solid-liquid transition area with predetermined values, thus optimum results with regard to the monocrystalline structure of the films or layers can be obtained if the irradiation conditions for the semiconductor layer are set accordingly on the basis of the comparison result will.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:In addition to the prior art, the drawing represents exemplary embodiments of the invention. They show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des konventionellen Verfahrens zur HerstellungFig. 1 is a schematic illustration to explain the conventional method of production
kristalliner Dünnfilme auf einem Substrat,crystalline thin films on a substrate,
Fig. 2 und 3 weitere schematische Darstellungen zur Erläuterung des konventionellen Verfahrens, 352 and 3 further schematic representations to explain the conventional method, 35
Fig. 4 den Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfin-Fig. 4 shows the structure of a device according to the invention
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dung zur Herstellung liochkristalliner Dünnfilme, application for the production of hole-crystalline thin films,
Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen von Strahlquerschnitten auf einer Probe,5A and 5B are schematic representations of beam cross-sections on a sample,
Fig. 6 eine Ausführungsform eines Strahlteilers zur Aufspaltung eines Strahls in mehrere Teilstrahlen, Fig. 6 shows an embodiment of a beam splitter for Splitting of a beam into several partial beams,
Fig. 7 einen weiteren Strahlteiler, und7 shows a further beam splitter, and
Fig. 8 mit dem Strahlteiler nach Fig. 7 erhaltene weitere Strahlquerschnitte auf einer Probe.8 shows further beam cross-sections obtained with the beam splitter according to FIG. 7 on a sample.
Die Vorrichtung nach der Erfindung zur Erzeugung von Halbleitern enthält eine Einrichtung zum Bestrahlen einer Halbleiterschicht mit einem hochenergetischen Strahl, sowie eine Einrichtung zur Erfassung von Licht, das von der Halbleiterschicht abgestrahlt wird.The device according to the invention for producing semiconductors contains a device for irradiating a Semiconductor layer with a high-energy beam, as well as a device for detecting light emitted by the Semiconductor layer is radiated.
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß beim Bestrahlen der Halbleiterschicht mit einem hochenergetischen Strahl Licht von der Halbleiterschicht zurückkommt. Durch Erfassung dieses Lichts läßt sich eine Aussage über den Schmelzzustand der Halbleiterschicht machen.The invention takes advantage of the fact that when the semiconductor layer is irradiated with a high-energy beam Light comes back from the semiconductor layer. By capturing This light can be used to make a statement about the melting state of the semiconductor layer.
In Übereinstimmung mit der Erfindung kann also der Schmelzzustand der Halbleiterschicht direkt ermittelt werden, wenn die Halbleiterschicht mit Hilfe des hochenergetischen Strahls geschmolzen wird und anschließend rekristallisiert. Auch lassen sich die Strahlbedingungen, usw. in Abhängigkeit des detektierten Lichts einstellen, so daß sich beim Rekristallisationsvorgang ein hocheinkristalliner Dünnfilm bildet.In accordance with the invention, the melting state of the semiconductor layer can thus be determined directly when the semiconductor layer is melted with the aid of the high-energy beam and then recrystallized. The beam conditions, etc. can also be set as a function of the detected light, so that when Recrystallization process forms a highly single crystalline thin film.
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In der Praxis wird die von einer Bildaufnahmeeinrichtung gelieferte Information über den Schmelzzustand zur Einstellung der Strahlbedingungen und zur Einstellung weiterer Bedingungen rückgekoppelt, um einen gewünschten Schmelzzustand zu erzielen.In practice, the information about the melting state supplied by an image pick-up device is used for setting the beam conditions and to set further conditions fed back to a desired To achieve melting state.
Sowohl zum Vorheizen als auch zum Schmelzen lassen sich zwei Energiestrahlen derselben Art verwenden, so daß das Vorheizen ohne eine aufwendige Heizeinrichtung durchgeführt werden kann und sich der Schmelzzustand durch die Bildaufnahmeeinrichtung in jedem Fall einwandfrei überwachen läßt. Für diesen Fall können zur Erzeugung des Schmelzstrahls und des Vorheizstrahls unterschiedliche Strahlungsquellen vorhanden sein. Möglich ist aber auch eine Strahlungsquelle, die nur einen einzelnen Strahl erzeugt, der durch geeignete optische Einrichtungen aufgespalten wird. Die Aufspaltung kann beispielsweise durch die Kombination zweier Linsen mit jeweils unterschiedlicher Brennweite erfolgen, so daß ein Strahl mit hoher Energie zum Schmelzen und ein Strahl mit geringerer Energie zum Vorheizen erzeugt werden.Can be used for both preheating and melting Use two energy beams of the same type, so that the preheating is carried out without an expensive heating device and the melt condition can be properly monitored in each case by the image recording device leaves. In this case, different ones can be used to generate the melt jet and the preheat jet Radiation sources are available. However, a radiation source that only generates a single beam is also possible, which is split up by suitable optical devices. The split can for example by the combination of two lenses, each with a different focal length, so that a beam with high Energy for melting and a beam with lower energy for preheating can be generated.
Im folgenden wird anhand der Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Mit Hilfe der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung wird unter Anwendung der SOI-Technik ein einkristalliner Siliciumdünnfilm aus einer polykristallinen Siliciumhalbleiterschicht gebildet.In the following, a first embodiment of the invention is explained in more detail with reference to FIG. With the help of the in Fig. 4 is a single crystal silicon thin film of a polycrystalline using the SOI technique Silicon semiconductor layer is formed.
Fig. 4 stellt lediglich den wesentlichen Teil der Vorrichtung dar. Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Probe mit einer Halbleiterschicht bezeichnet, auf die ein hochenergetischer Strahl gerichtet ist, um auf diese Weise einen gewünschten, rekristallisierten und einkristallinen Dünnfilm zu erhalten. Die Probe 1 ist beispielsweise auf einem bewegbaren Tisch positioniert, und kann in X- und Y-Richtung verschoben werden.Fig. 4 represents only the essential part of the device. Reference numeral 1 is a sample with a Semiconductor layer denotes to which a high-energy beam is directed in order to produce a desired, to obtain recrystallized and single crystalline thin film. The sample 1 is, for example, on a movable one The table is positioned and can be moved in the X and Y directions.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als hochenergetische Strahlung Laserstrahlung verwendet, wobei ein erster Laserstrahl 21 zum Schmelzen und ein zweiter Laserstrahl 22 zum Vorheizen dienen. Der Grund, warum zum Vorheizen und zum Schmelzen Strahlen derselben Art verwendet werden, liegt darin, daß dann auf eine aufwendige Zusatzvorheizeinrichtung verzichtet werden kann und sich der Schmelzzustand der Probe durch die Bildaufnahmeeinrichtung einwandfrei überwachen läßt.In the present embodiment it is considered to be high-energy Radiation Laser radiation used, with a first laser beam 21 for melting and a second laser beam 22 are used for preheating. The reason why rays of the same kind are used for preheating and melting, lies in the fact that an expensive additional preheating device can then be dispensed with and the melting state is improved of the sample by the image recording device correctly can be monitored.
Die Bildaufnahmeeinrichtung ist im vorliegenden Fall eine Fernsehkamera 3. Diese Fernsehkamera 3 arbeitet mit einem Mikroskop 4 zusammen, um das von der Halbleiterschicht der Probe 1 abgestrahlte Licht zu detektieren. Auf diese Weise läßt sich der Schmelzzustand der Halbleiterschicht fest-' stellen. Zwischen der Probe 1 und dem Mikroskop 4 ist ein optischer Verschluß 31 angeordnet, der synchron mit der Kamera 3 arbeitet. Ein optischer Filter 32 zwischen dem Mikroskop 4 und der Kamera 3 dient dazu, die vom Ar-Laser kommende Strahlung herauszufiltern. Die von der Fernsehkamera 3 gelieferte Information über den Schmelzzustand kann beispielsweise auf einem Fernsehempfänger 5 dargestellt werden.In the present case, the image recording device is a TV camera 3. This TV camera 3 works with a microscope 4 in order to see from the semiconductor layer of the Sample 1 to detect emitted light. In this way the melting state of the semiconductor layer can be place. An optical shutter 31 is arranged between the sample 1 and the microscope 4, which is synchronized with the camera 3 works. An optical filter 32 between the microscope 4 and the camera 3 is used for the purpose of the Ar laser to filter out incoming radiation. The information about the melt state provided by the television camera 3 can for example be shown on a television receiver 5 will.
Nachfolgend wird der Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung einkristalliner Dünnfilme bzw. Dünnschichten noch detaillierter erläutert.The structure of the device for producing monocrystalline thin films or thin layers is described in more detail below explained.
Im vorliegenden Fall lassen sich entweder zwei Laserquellen, beispielsweise Ar-Laser, oder eine einzelne Laserquelle einsetzen, deren Laserstrahl mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels oder einer anderen geeigneten Einrichtung in zwei Laserstrahlen 21 und 22 aufgespalten wird. Die beiden Laserstrahlen 21 und 22 treffen unter verschiedenen Winkeln auf eine Linse 6 auf. Nach Durchlaufen der Linse 6 erreichen sie die Probe 1, wie in Fig. 4 darge-In the present case, either two laser sources can be used, For example, use an Ar laser, or a single laser source, whose laser beam with the help of a semitransparent mirror or other suitable device is split into two laser beams 21 and 22. The two laser beams 21 and 22 strike differently Angles on a lens 6. After passing through lens 6, they reach sample 1, as shown in FIG.
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stellt ist. Um den Laserstrahl 22 zum Vorheizen verwenden zu können, wird dieser nicht auf die Oberfläche der Probe 1 fokussiert. Vielmehr durchläuft der Vorheizstrahl 22 zuvor eine Linse oder eine andere geeignete Einrichtung, durch die er defokussiert wird. Im Ergebnis weisen die beiden Strahlen 21 und 22 auf der Oberfläche der Probe 1 Querschnitte auf, wie sie in Fig. 5Λ gezeigt sind. Da der Querschnitt des Vorheizstrahls 22 auf der Probenoberfläche relativ groß ist, liegt nur eine kleine Energieflächendichte (W/cm2) vor, so daß durch den Vorheizstrahl 22 die polykristalline Siliciumschicht der Probe 1 nur erwärmt wird, nicht jedoch die Schmelztemperatur erreicht. Durch den Schmelzstrahl 21 wird andererseits im Bereich der Probenoberfläche eine vergleichsweise größere Energieflächendichte (W/cm2) erzeugt, so daß die polykristalline Siliciumschicht die Schmelztemperatur oder eine darüberliegende Temperatur erreicht und im Zentralbereich schmilzt. In Fig. 5A ist der Querschnitt des Schmelzstrahls 21 mit 21' bezeichnet, während der Querschnitt des Vorheizstrahls 22 mit 22' bezeichnet ist. Der durch den Schmelzstrahl 21 geschmolzene Bereich ist mit 21" bezeichnet und durch die schraffierte Fläche näher markiert. Die Abtastrichtung bzw. Ablenkrichtung des Strahls ist in Fig. 5A durch den Pfeil 2' angegeben.is. In order to be able to use the laser beam 22 for preheating, it is not focused on the surface of the sample 1. Rather, the preheating beam 22 first passes through a lens or some other suitable device by which it is defocused. As a result, the two beams 21 and 22 have cross sections on the surface of the sample 1, as shown in FIG. 5Λ. Since the cross section of the preheating beam 22 on the sample surface is relatively large, there is only a small energy surface density (W / cm 2 ), so that the polycrystalline silicon layer of the sample 1 is only heated by the preheating beam 22, but does not reach the melting temperature. On the other hand, the melt jet 21 generates a comparatively greater energy surface density (W / cm 2 ) in the area of the sample surface, so that the polycrystalline silicon layer reaches the melting temperature or a temperature above it and melts in the central area. In FIG. 5A, the cross section of the melt jet 21 is denoted by 21 ', while the cross section of the preheating jet 22 is denoted by 22'. The area melted by the melt jet 21 is designated by 21 ″ and marked in more detail by the hatched area. The scanning direction or deflection direction of the jet is indicated in FIG. 5A by the arrow 2 ′.
Der polykristalline Siliciumfilm emittiert Licht, wenn er auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel fällt das von ihm abgestrahlte Licht über das Mikroskop 4 auf die Bildaufnahmeeinrichtung bzw. Fernsehkamera 3, so daß ein Bild auf dem Monitor 5 darstellbar ist, das dem von der Fernsehkamera 3 erfaßten Lichtmuster entspricht. Um Strahlung von der Laserquelle herauszufiltern bzw. zu sperren, beispielsweise die Strahlung von einem Ar-Laser, ist vor der Bildaufnahmeeinrichtung 3 bzw. Fernsehkamera eine optische Filtereinrichtung 32 angeordnet, durch die nur Licht hindurchtreten und zurThe polycrystalline silicon film emits light when heated to a high temperature. In the present In the exemplary embodiment, the light emitted by it falls through the microscope 4 onto the image recording device or TV camera 3, so that an image can be displayed on the monitor 5 that corresponds to that captured by the TV camera 3 Light pattern corresponds. To filter out or block radiation from the laser source, for example radiation from an Ar laser, there is an optical filter device in front of the image recording device 3 or television camera 32 arranged through which only light can pass and to
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Fernsehkamera 3 gelangen kann, das nur von der Halbleiterschicht abgestrahlt wird.TV camera 3 can get, which is radiated only from the semiconductor layer.
Die als Fernsehkamera ausgebildete Bildaufnahmeeinrichtung 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient zur Erzeugung eines Bildes mit einer Bild- bzw. Halbbildfrequenz von beispielsweise 1/30 s. Wird daher die Probe 1 mit Hilfe des in X- und Y-Richtung bewegbaren Tisches nach Rekristallisation des polykristallinen Siliciums und Bildung eines Musters bewegt, so erscheint das Muster verborgen bzw. dunkel. Um das Muster und denjenigen Bereich, der durch den Vorheizstrahl 22 erwärmt worden ist, gleichzeitig beobachten zu können, ist deswegen der Hochgeschwindigkeitsverschluß 31 vorgesehen, der mit der Bildaufnahmeeinrichtung 3 bzw. Fernsehkamera synchronisiert ist. Das Licht, das von dem durch den Laserstrahl aufgeheizten Bereich emittiert wird, wird um so stärker, je größer die Temperatur des Bereichs wird. Die Intensität des abgestrahlten Lichts nimmt aber wieder ab, nachdem der bestrahlte Bereich geschmolzen ist. Daher ist es möglich, die Grenze zwischen dem festen Phasenbereich und dem flüssigen Phasenbereich genau beobachten zu können. Demzufolge kann die Größe des geschmolzenen Bereichs durch Beobachtung des Fest-Flüssig-Übergangsbereichs durch die Bildaufnahmeeinrichtung 3 festgestellt werden. Die erhaltenen Ergebnisse bezüglich der Größe des geschmolzenen Bereichs können dazu verwendet werden, die Rekristallisationsbedingungen einzustellen, beispielsweise die Intensität des Laserstrahls, die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls auf der Probe (Geschwindigkeit des Tisches in X- und Y-Richtung), die Vorheiζtemperatur, usw. Die unterschiedlichen Bedingungen können durch einen Benutzer der Vorrichtung beispielsweise manuell eingestellt werden, während dieser den Fernsehmonitor 5 überwacht. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Information von der Bildaufnahmeeinrichtung 3 zu analysieren und ein informationsabhängiges Steuersignal zu erzeugen, das zur Rück-The image recording device 3 designed as a television camera in the present exemplary embodiment is used for generation of an image with a frame rate of, for example 1/30 s. Therefore, sample 1 is made after recrystallization with the aid of the table which can be moved in X and Y directions of the polycrystalline silicon moves and forms a pattern, the pattern appears hidden or dark. To observe the pattern and the area that has been heated by the preheat beam 22 at the same time Therefore, the high-speed shutter 31 is provided with the image pickup device 3 or TV camera is synchronized. The light emitted from the area heated by the laser beam becomes stronger as the temperature of the area becomes larger. The intensity of the emitted light increases but again after the irradiated area has melted. Hence, it is possible to set the boundary between the fixed To be able to observe the phase range and the liquid phase range precisely. As a result, the size of the melted Area detected by observing the solid-liquid transition area by the image pickup device 3 will. The results obtained regarding the size of the molten area can be used to calculate the Set recrystallization conditions, for example the intensity of the laser beam, the scanning speed of the laser beam on the sample (speed of the table in X and Y directions), the preheating temperature, etc. The different conditions can for example be set manually by a user of the device while the television monitor 5 is monitored. In addition, it is also possible to use the information from to analyze the image recording device 3 and an information-dependent To generate the control signal that
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kopplung dient, um die Bestrahlungsbedingungen durch den oder die Laserstrahlen entsprechend einzustellen.coupling is used to adjust the irradiation conditions by the laser beam or beams accordingly.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zwei Laserstrahlen 21 und 22 verwendet, von denen der eine zum Schmelzen und der andere zum Vorheizen dient. Beide Laserstrahlen 21 und 22 können durch separate Laserquellen erzeugt sein. Es läßt sich aber auch ein nur durch eine einzige Laserquelle erzeugter Laserstrahl 2 einsetzen, der in einen Schmelzstrahl 21 und einen Vorheizstrahl 22 aufgespalten wird. Zunächst wird dieser einzige Laserstrahl 2 durch einen Strahlaufweiter 7 aufgeweitet und dann mit Hilfe einer Linseneinrichtung aufgetrennt, wie die Fig. 6 zeigt. Die Linseneinrichtung kann beispielsweise aus zwei kombinierten Linsen 81 und 82 mit jeweils unterschiedlicher Brennweite bestehen. Wird die Probe 1 in der Ebene des Brennpunkts Fl der Linse 81 mit einer Brennweite f1 positioniert, so wird durch die Linse 82 mit einer Brennweite f2 der Strahl in einer Ebene fokussiert, in der der Brennpunkt F2 liegt. Die zuletzt genannte Ebene liegt aber in Strahlrichtung gesehen hinter der Probe 1. In diesem Fall ist also der durch die untere Linse 81 fokussierte Laserstrahl der Schmelzstrahl 21, während der durch die obere Linse 82 fokussierte Laserstrahl der Vorheizstrahl 22 ist.In the embodiment described above, two laser beams are used 21 and 22 are used, one of which is used for melting and the other for preheating. Both laser beams 21 and 22 can be generated by separate laser sources. But it can also be achieved through just one Use the laser beam 2 generated by the laser source, which is split into a melt beam 21 and a preheat beam 22 will. First of all, this single laser beam 2 is expanded by a beam expander 7 and then with the aid separated by a lens device, as FIG. 6 shows. The lens device can, for example, consist of two combined lenses 81 and 82 each have a different focal length. If the sample 1 is in the plane of the Positioned focal point Fl of lens 81 with a focal length f1, so through the lens 82 with a focal length f2 the beam is focused in a plane in which the focal point F2 is located. The last-mentioned plane lies behind the sample 1 as seen in the direction of the beam. In this case So the laser beam focused by the lower lens 81 is the melt beam 21, while the one through the upper Lens 82 focused laser beam which is preheat beam 22.
Die entsprechenden und mit der Anordnung nach Fig. 6 erhaltenen Strahlquerschnitte auf der Probe 1 sind in Fig. 5B dargestellt. Die Bezugszeichen in Fig. 5B entsprechen denjenigen in Fig. 5A. Im vorliegenden Fall lassen sich die beiden Laserstrahlen 21 und 22 um mehr als die doppelte Breite des Schmelzstrahls 21 voneinander trennen.The corresponding beam cross-sections on the sample 1 obtained with the arrangement according to FIG. 6 are shown in FIG. 5B. The reference numerals in Fig. 5B correspond to those in Fig. 5A. In the present case separate the two laser beams 21 and 22 from one another by more than twice the width of the melt beam 21.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann die Linse 81 zur Bildung des Schmelzstrahls 21 weiterhin in zwei Teile 81a und 81b unterteilt sein, so daß Strahlquerschnitte auf der Oberfläche der Probe 1 erhalten werden, wie sie in Fig. 8As shown in FIG. 7, the lens 81 for forming the melt jet 21 can furthermore be divided into two parts 81a and 81b, so that beam cross sections are obtained on the surface of the sample 1, as shown in FIG
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gezeigt sind. Der Schmelzstrahl besteht in diesem Fall aus zwei Strahlen 21a und 21br weist also zwei Spitzen bzw. Maxima auf. Es ist daher möglich, einkristallines Silicium mit Hilfe des bereits anhand der Fig. 3 beschriebenen Verfahrens zu bilden.are shown. In this case, the melt jet consists of two jets 21a and 21b r , that is to say has two peaks or maxima. It is therefore possible to form monocrystalline silicon with the aid of the method already described with reference to FIG. 3.
In jedem Fall werden die polykristalline Siliciumschicht (Halbleiterschicht) der Probe 1 und die Oberfläche der Basis, die die polykristalline Siliciumschicht trägt, durch den Vorheizstrahl 22 erwärmt, um eine Zerstörung der Halbleiterschicht bei oder nach Rekristallisation zu verhindern. Wie bereits erwähnt, ist es nicht erforderlich, eine Vorheizeinrichtung h entsprechend der Fig. 2 zu verwenden, die praktisch den ganzen Probenbereich g überdeckt. Es läßt sich daher immer ein Bild des geschmolzenen Bereichs der Probe 1 aufnehmen. Zusätzlich läßt sich der Wirkungsgrad bei der Herstellung der einkristallinen Schichten erhöhen, da nur ein kleiner Teil der Probe zeitweise vorgewärmt, und nicht die gesamte Probe dauernd vorgewärmt wird.In either case, the polycrystalline silicon layer (Semiconductor layer) of the sample 1 and the surface of the base bearing the polycrystalline silicon layer the preheating beam 22 is heated in order to prevent destruction of the semiconductor layer during or after recrystallization. As already mentioned, it is not necessary to use a preheating device h as shown in FIG. 2, which practically covers the entire sample area g. An image of the melted area can therefore always be seen of sample 1. In addition, the efficiency in the production of the single-crystal layers can be increased, because only a small part of the sample is temporarily preheated and not the entire sample is constantly preheated.
Der erwärmte Bereich kann direkt mit Hilfe der Bildaufnahmeeinrichtung 3 bzw. Fernsehkamera beobachtet werden, so daß sich die Strahlungsbedingungen anhand der Beobachtung einstellen lassen.The heated area can be viewed directly with the help of the image recording device 3 or television camera can be observed, so that the radiation conditions are based on the observation have it adjusted.
Bei der Herstellung einkristalliner Halbleiterschichten mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung lassen sich ungewöhnliche Abweichungen sofort feststellen, da der Rekristallisationsprozeß direkt überwacht wird. Die Bestrahlungsbedingungen können also während des Rekristallisationsprozesses detektiert und gegebenenfalls verändert werden. Auf diese Weise werden hochkristalline dünne Filme bzw. Schichten erhalten.In the production of monocrystalline semiconductor layers with the aid of the method according to the invention, unusual Detect deviations immediately, as the recrystallization process is monitored directly. The irradiation conditions can therefore be detected during the recrystallization process and changed if necessary will. In this way, highly crystalline thin films or layers are obtained.
Wie bereits erwähnt, wird die Probe 1 durch den Schmelzstrahl 21 und den Vorheizstrahl 22 gleichzeitig beaufschlagt bzw. abgetastet, wobei der Vorheizstrahl 22 in Ab-As already mentioned, the sample 1 is caused by the melt jet 21 and the preheating jet 22 acted upon or scanned at the same time, the preheating jet 22 in ab-
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tastrichtung vor dem Schmelzstrahl 21 liegt. Ein Bereich der Probe 1 wird also zunächst durch den Vorheizstrahl 22 und dann durch den Schmelzstrahl 21 getroffen. Es ist daher nicht erforderlich, die gesamte Probe 1 mit Hilfe einer anderen Heizeinrichtung vorzuwärmen. Beispielsweise muß entsprechend der Fig. 2 bei dem konventionellen Verfahren oino Heizeinrichtung zum Erwärmen der gesamten Basis vorgesehen sein, was bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung nicht erforderlich ist. Hier wird nur ein kleiner Bereich der Probe 1 vorgeheizt, bevor er kurz darauf vom Schmelzstrahl 21 noch weiter erhitzt wird. Gegenüber dem bekannten Verfahren wird daher weniger Energie zur Bildung der genannten Schichten benötigt. scanning direction lies in front of the melt jet 21. A region of the sample 1 is thus initially exposed to the preheating beam 22 and then hit by the melt jet 21. It is therefore not necessary, the entire sample 1 with the help of a preheat another heating device. For example, as shown in FIG. 2, in the conventional method oino heating device for heating the entire base be provided, which is not required in the method and the device according to the invention. here only a small area of the sample 1 is preheated before it is further heated by the melt jet 21 shortly thereafter will. Compared to the known method, therefore, less energy is required to form the layers mentioned.
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3, 5) zur Lichterfassung der einen Seite der9. Device according to one of claims 1 to 8,
characterized in that the device (3, 5) for light detection of one side of the
Dünnfilms durch Bestrahlung einer Halbleiterschicht mittels eines durch eine Strahlungsquelle erzeugten Energiestrahls, um die Halbleiterschicht bereichsweise zu schmelzen, sowie durch Rekristallisation der geschmolzenen Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß10. Process for the production of a single crystal
Thin film by irradiating a semiconductor layer by means of an energy beam generated by a radiation source in order to melt the semiconductor layer in areas, and by recrystallization of the melted areas, characterized in that
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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Representative=s name: TER MEER, N., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. MUELLER, F., |
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| 8141 | Disposal/no request for examination |