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5 Kristallisierung 19
Abb. 5.4 zeigt die zeitliche Entwicklung des Temperaturprofils für die Laserkristallisierung
einer 200 nm dicken a-Si-Schicht auf einem unendlich dicken transparenten Oxid für den Fall,
daß die Schicht mit einem Puls vollständig aufgeschmolzen wird. Die Pulslänge beträgt 8 ns
bei 532 nm Anregungswellenlänge und einer Pulsenergie von 450 mJ/cm 2 • Der
Absorptionskoeffizient des amorphen Siliziums bei J..=532 nm liegt bei 1.10 5 cm- 1
(vgl. Abb. 3.2), wogegen die flüssige Phase einen wesentlich höheren Absorptionskoeffizienten
von 1.1.10 6 cm- 1 besitzt [35]. Die Oberflächenreflektivität der erwärmten
amorphen Siliziumschicht beträgt 0.3 (s. Anhang), diejenige des aufgeschmolzenen
Materials 0.7 [35].
In Abb. 5.4a ist die zeitliche Entwicklung des Temperaturprofils während des Laserpulses zu
erkennen. Die aufgetragenen Profile haben einen Zeitabstand von jeweils 0.5 ns. Zu Beginn
des Pulses erwärmt sich die Schicht sehr schnell. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit
des (erwärmten) amorphen Siliziums (hier: 11 mJ/cm s K [36]) bildet sich ein hoher
Temperaturgradient aus. Bereits nach 1 ns schmilzt die Schichtoberfläche auf. Die
Schmelztemperatur von a-Si beträgt 1150°C [37]. Ab diesem Zeitpunkt verlangsamt sich die
Erwärmung der Schicht drastisch. Zum einen nimmt die Oberflächenreflektivität so stark zu,
daß nur noch weniger als die Hälfte der Leistung in die Probe eingekoppelt werden kann wie
vor dem Aufschmelzen. Zum anderen muß die sehr hohe Schmelzwärme von 1300 J/g [36]
aufgebracht werden, bevor eme weitere Erwärmung erfolgen kann. Die
Propagationsgeschwindigkeit der Schmelzfront liegt bei etwa 30 mls. Auf Grund der sehr
hohen Wärmeleitfähigkeit des geschmolzenen Materials von 500 mJ/cm s K [36] ist der
Temperaturgradient in der flüssigen Phase geringer als in der amorphen. Nach 7 ns ist die
Schicht vollständig aufgeschmolzen. Jetzt steigt die Temperatur wieder schneller an, da die
gesamte eingekoppelte Energie in eine Erwärmung der flüssigen Phase umgesetzt wird. Die
Maximaltemperatur an der Schichtoberfläche beträgt ca. 19OO°C. Wegen der schlechten
Wärmeleitfähigkeit des transparenten Oxids von 15 mJ/cm s K [36] entsteht im Bereich der
Grenzfläche ein großer Temperaturgradient.
Der Energieverlust durch Wärmeabstrahlung der Schicht ist vernachlässigbar. Falls die Probe
für 100 ns eine Temperatur von 2000 K besäße, so würde die abgestrahlte Energie nach dem
Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz etwa 1.10- 5 J/cm 2 betragen. Sie liegt damit um
mehr als 7 Größenordnungen unter der Pulsenergie des Lasers.