改变半导体层结构的方法.pdf

一种改变半导体层的结构的方法，尤其是用于非晶形硅层(2)的结晶或再结晶的方法，在该方法中在将半导体层设置到基片(1)上之后，用半导体激光器(14)的激光暂时照射半导体层，该激光在半导体层的范围内具有线形的强度分布(3)，其中线形的强度分布(3)在垂直于穿过半导体层的线的延伸的方向(x)上在半导体层上移动，并且其中强度分布(3)在垂直于线的延伸的方向(x)上具有带有至少一个强度峰值(7)的强度分布图(5，11，12)和至少一个扩展范围(6，8)，该扩展范围比强度峰值(7)在垂直于线的延伸的方向(x)上更加扩展，其中其强度(I6，I8)小于强度峰值(7)的强度(I7)并大于零。

1.  用于改变半导体层的结构的方法，尤其是用于非晶形硅层(2)的结晶或再结晶的方法，包括下列方法步骤：
-将半导体层设置到基片(1)上，
-用半导体激光器(14)的激光暂时照射半导体层，该激光在半导体层的范围内具有线形的强度分布(3)，其中，线型的强度分布(3)在垂直于线的延伸的方向(x)上在半导体层上移动，其中强度分布(3)在垂直于线的延伸方向(x)具有带有至少一个强度峰值(7)的强度分布图(5，11，12)，
其特征在于，强度分布图(5，11，12)在垂直于线的延伸的方向(x)上还具有至少一个扩展范围(6，8)，该扩展范围比强度峰值(7)在垂直于线的延伸的方向(x)上更加扩展，其中该扩展范围的强度(I₆，I₈)小于强度峰值(7)的强度(I₇)并大于零。

2.  如权利要求1的方法，其特征在于，将半导体层预热和/或后续加热，其中预热和/或后续加热都是用激光射线来实现的。

3.  如权利要求2的方法，其特征在于，激光的强度分布图(5，11，12)的至少一个扩展范围(6，8)被形成为使得通过至少一个扩展范围(6，8)在半导体层上的移动确保预热和/或后续加热。

4.  如权利要求1至3之一的方法，其特征在于，强度分布图(5，11)的至少一个扩展范围(6)在扫描方向(4)上位于强度峰值(7)之前，使得每个要改变结构的半导体层的片段首先用强度分布图(5，11)的至少一个扩展范围(6)照射，接着用强度峰值(7)照射。

5.  如权利要求1至4之一的方法，其特征在于，强度分布图(5，12)的至少一个扩展范围(8)在扫描方向(4)上位于强度峰值(7)之后，使得每个要改变结构的半导体层的片段首先用强度峰值(7)照射，接着用强度分布图(5，12)的至少一个扩展范围(8)照射。

6.  如权利要求1至5之一的方法，其特征在于，强度分布图(5)在垂直于线的延伸的方向(x)上还具有至少两个扩展范围(6，8)，这些扩展范围比强度峰值(7)在垂直于线的延伸的方向(x)上更加扩展，其中这些扩展范围的强度(I₆，I₈)小于强度峰值(7)的强度(I₇)并大于零。

7.  如权利要求6的方法，其特征在于，强度分布图(5)的至少两个扩展范围(6，8)中的第一个在扫描方向(4)上位于强度峰值(7)之前，强度分布图(5)的至少两个扩展范围(6，8)中的第二个在扫描方向(4)上位于强度峰值(7)之后。

8.  如权利要求1至7之一的方法，其特征在于，强度峰值(7)的强度(I₇)超过强度分布图(5，11，12)的至少一个扩展范围(6，8)的强度(I₆，I₈)的两倍，优选超过四倍。

9.  如权利要求1至8之一的方法，其特征在于，强度分布图(5，11，12)的至少一个扩展范围(6，8)具有100W/cm²与100kW/cm²之间的功率密度。

10.  如权利要求1至9之一的方法，其特征在于，强度峰值(7)具有1kW/cm²与1MW/cm²之间的功率密度。

11.  如权利要求1至10之一的方法，其特征在于，强度分布图(5，11，12)的至少一个扩展范围(6，8)在扫描方向(4)上的宽度(B₆，B₈)大于强度峰值(7)的宽度(B₇)，尤其是超过强度峰值(7)的宽度(B₇)的两倍，优选超过四倍。

12.  如权利要求1至11之一的方法，其特征在于，强度分布图的至少一个扩展范围(6，8)在扫描方向(4)上具有0.1mm与10.0mm之间的宽度(B₆，B₈)。

13.  如权利要求1至12之一的方法，其特征在于，强度峰值(7)在扫描方向(4)上具有小于0.1mm的宽度(B₇)。

14.  如权利要求1至13之一的方法，其特征在于，半导体激光器以CW工作方式工作。

15.  如权利要求1至14之一的方法，其特征在于，扫描速度在1m/min和20m/min之间。

改变半导体层结构的方法
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的改变半导体层结构的方法，尤其是非晶形硅层的结晶或再结晶的方法。
从US 2004/232126A1已知一种开头所述类型的方法。在这种方法中，玻璃基片上硅层的再结晶用二极管激光器的光进行。其中，以线形的强度分布在将要再结晶的硅层上垂直于线方向扫描。在扫描方向或垂直于线的延伸的方向上，强度分布具有一个狭窄的未结构化的强度分布图，就像例如高斯分布图那样。
作为这样一种方法的缺点，一方面由于只是用线形强度分布的强度峰值处理硅层的片段，再结晶的结果是有缺陷的。另一方面，由于强度分布的高峰值强度在基片中可能产生裂纹。
本发明要解决的技术问题是提供一种开头所述类型的方法，该方法是更有效的。
这通过一种开头所述类型的方法用权利要求1的特征部分所述的技术特征来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。
根据权利要求1，强度分布图在垂直于线的延伸的方向上还具有至少一个扩展范围，该扩展范围比强度峰值在垂直于线的延伸方向上更加扩展，其中其强度小于强度峰值的强度并大于零。通过其强度比强度峰值小的扩展范围，可以实现硅层和位于其下的基片的预热，从而能够阻止基片中的裂纹形成。此外，例如可以通过跟在强度峰值后面的第二个扩展范围，对用强度峰值处理的硅层片断进行后续热处理。由此，再结晶的结果可以明显得到改善。
用本发明所述方法可以在玻璃上对非晶形硅的薄层进行加工，这种薄层可以在制造薄层太阳能电池和平面显示屏时使用。
本发明的其它特征和优点借助下面参照附图对优选实施例的描述而更加清楚。如图中所示：
图1用本发明所述方法改变结构的半导体层的示意性顶视图，该半导体层设置在基片上，其中表明了激光射线的线形强度分布；
图2按照图1位于基片上的半导体层的示意性侧视图；
图3一个在按照本发明的方法中应用的、垂直于激光的线形强度分布的线延伸的方向上的强度分布图(强度以任意单位相对于扫描方向上的扩展)；
图4按照图3的强度分布图的示意性视图(强度以任意单位相对于扫描方向上的扩展)；
图5在按照本发明的方法中所应用的强度分布图中另一个实施方式的示意性视图(强度以任意单位相对于扫描方向上的扩展)；
图6在按照本发明的方法中所应用的强度分布图中另一个实施方式的示意性视图(强度以任意单位相对于扫描方向上的扩展)；
图7用于实施本发明所述方法的激光器装置的透视视图；
图8按照图3的透镜阵列和强度分布图的示意性视图。
为了更容易看清楚，在几个图中标上了笛卡儿坐标系统。
图1和图2示出了基片1，在该基片上设置硅层2。基片1例如可以作为玻璃基片构造。用至少包括半导体激光器14和用于射线整形的微光学元件15的激光器装置13在z方向上将激光射线的线形强度分布3施加到非晶形的硅层2上(对此参见图1、图2和图7)。激光器装置13以CW工作方式工作。其中，线形强度分布3的线在y方向上延伸。线形强度分布3在相当于x方向的扫描方向上4垂直于线的延伸在硅层2上移动或扫描。在这种情况下，扫描速度可以在1m/min和20m/min之间。
线形强度分布3在扫描方向4或者说x方向上具有相对较小的宽度B，该宽度比线形强度分布3在线的纵向方向上的长度L小很多倍。例如线形强度分布3的长度L可以大于500mm，而宽度B可以在0.1mm与10.0mm之间。
按照图3，线形强度分布3在扫描方向4或者说x方向上具有例如强度分布图5。这个强度分布图5具有三个主要的范围，即在图3中从右向左的第一个扩展范围6、强度峰值7(强度尖峰)和第二个扩展范围8。第一个扩展范围6的右边和第二个扩展范围8的左边还分别与一个上升的或下降的边沿9，10相接，这两个边沿在下面的说明中不予考虑。
强度在扩展范围6和8上大体上是恒定的。图4示意性示出的是强度分布图5的比例。其中，对应于强度分布图5的左侧和右侧的是强度0。第一个扩展范围6具有强度I₆，第二个扩展范围8具有强度I₈，强度峰值7具有强度I₇，其中I₇＞I₈＞I₆。其中I₇例如超过I₈或I₆的两倍。特别是在扩展范围6和8内的功率密度可以在100W/cm²与100kW/cm²之间，而强度峰值7范围内的功率密度则可以在1kW/cm²与1MW/cm²之间。
此外，如图所示，第一个和第二个扩展范围6，8的宽度B₆和B₈分别明显地大于强度峰值7的宽度B₇。因此，在考虑到扫描速度的情况下，以扩展范围6，8的适中强度I₆，I₈照射的每个硅层片段比用强度峰值7的高强度I₇照射的硅层片段明显更长。例如，强度峰值7的宽度B₇可以是小于0.1mm(FW.1/e²)，而第一个和第二个扩展范围6，8的宽度B₆和B₈可以在0.1mm与10.0mm之间.
在强度峰值7输送大量能量使本来的转变或再结晶可以完成之前，强度分布图5的第一个扩展范围6预热硅层2的要转变的片段和基片。强度峰值7在时间上用作为转变过程的起始点。
在通过强度峰值7引进峰值能量之后，强度分布图5的第二个扩展范围8继续输送一个适中的能量给要转变的硅层2的片段。这个适中的能量输入支持硅层2中结晶增长和减缓硅层2和基片1的冷却。由此可以降低硅层2和基片1中的机械应力。
在按照图5和图6的强度分布图中，相同或功能相同的单元使用如图4中一样的附图标记。
图5示出了一个“沙发形”强度分布图11，在该强度分布图中只在强度峰值7的右边设置第一个扩展范围6，而在强度峰值7的左边没有第二个扩展范围。这样一种强度分布图11虽然在转变之前造成预热，但是在开始转变后没有后续加热。
图6示出了一个“沙发形”强度分布图12，在该强度分布图中只在强度峰值7的左边设置第二个扩展范围8，而在强度峰值7的右边没有第一个扩展范围。这样一种强度分布图12虽然在开始转变后造成再升温，但是在转变前没有预热。
按照图7的半导体激光器14可以设计为激光二极管棒或作为带有多个单个发射极的激光二极管棒的堆，它们共同提供所需要的功率和为应用所必需的辐射参数产物。
用于射线整形的微光学元件15包括在y方向上借助柱面透镜阵列的所有发射极的叠加和均匀化。在x方向上应用柱面透镜阵列，它们的表面由多段光学元件构成，这些光学元件例如使按照图3的强度分布图5成为可能。在图8中描绘了这类柱面透镜阵列的三个并排排列的柱面透镜16，17，18。在这种情况下，柱面透镜阵列可以包括远远多于三个的柱面透镜。在中间的柱面透镜17中，示出了三个区域17a，17b，17c。其中，区域17a对应形成第一个扩展范围6，区域17b对应形成强度峰值7，区域17c对应形成第二介扩展范围8。这在图8中通过虚线表示。
分别根据表面曲率和区域宽度的选择，可以将不同多的光引导到不同的空间方向。在用傅立叶光学元件的组合中，则可以将区域17a，17b，17c的光共同与其它柱面透镜16，18(或没有示出的柱面透镜)的区域的光一起聚焦到不同强度的各种宽度的焦点(Foki)上。
激光器装置13的光用带有线性传动的x-y-z坐标工作台线性地在试样上扫描。其中，对激光器功率、行进速率、试样预处理等工艺参数进行调节，以达到所期望的效果(在玻璃基片上很薄的非晶形Si涂层的再结晶)。
在玻璃基片上局部将观察到的裂纹形成(硼硅玻璃，不在石英玻璃的情况下)，可以通过预热(在炉子中或在加热板上)和通过基片随后的激光处理来阻止。这种预热按照本发明在光学上通过已有激光器模块的强度分布图的相应匹配来实现，例如以带有随后的强度尖峰信号的沙发分布图的形式。作为替代，也可以利用另一个有较小强度的二极管激光器模块，该模块优先于线性模块。
例子
例如可以用下面的试样和参数实现可视效果：

通过本发明的方法也可以在工业生产中可靠和成本低廉地制造具有更高电子移动性的硅薄层。其中，具有本发明所述强度分布的线形分布是在玻璃上有效加工薄层的关键。超过500mm线长的标度和高激光器功率为显像技术和光电技术领域中现实和未来的任务提供了新的创造价值可能性。
在根据本发明的方法中，具有相应线性几何形状的高功率二极管激光源用于薄层加工。从一千瓦的等幅波功率起，这些线性激光源适用于数微米硅层厚度的热加工过程。可以通过用线性二极管激光器的表面扫描方法代替昂贵的大面积加热，并为薄层更快和更廉价的加热过程加速加热阶段。