View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5 Kristallisierung 21
Abb. 5.4b zeigt die zeitliche Entwicklung des Temperaturprofils nach dem Puls. Bereits 1 ns
nach dem Pulsende ist auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit eine Angleichung der
Temperatur in der flüssigen Phase zu beobachten. Nach einer Gesamtzeit von 30 ns beginnt
die Schicht von der Substratgrenzfläche zur Oberfläche zu erstarren. Die Temperaturinhomogenität
in der Schicht beläuft sich zu diesem Zeitpunkt auf weniger als 0.1 oe. Wegen
der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Substrats und der freiwerdenden Schmelzwärme des
Siliziums propagiert die Kristallisationsfront mit einer im Vergleich zum Aufschmelzen
geringen Geschwindigkeit von ca. 1.3 mJs. Nach etwa 175 ns ist die Schicht vollständig
kristallisiert. Thre Temperatur liegt nur knapp unter dem Schmelzpunkt. Erst jetzt, nachdem
die Kristallisationswärme abgegeben worden ist, kühlt die Schicht deutlich schneller ab. Nach
300 ns ist ein großer Teil der Wärme in das Substrat diffundiert. Das Plateau im Bereich der
ehemals aufgeschmolzenen Schicht bleibt für einen relativ langen Zeitraum erhalten.
Die im Rahmen dieser Arbeit kristallisierten Proben wurden mit bis zu 200 Pulsen gleicher
Energie bestrahlt. Eine Simulationsrechnung wurde daher auch für nachfolgende Laserpulse
durchgeführt. In Abb. 5.5 ist die zeitliche Entwicklung des Temperaturprofils für die während
des ersten Pulses vollständig kristallisierte Probe aus Abb. 5.4 dargestellt. Die Betrachtung
erfolgt für die Dauer des Pulses. Die aufgetragenen Temperaturprofile haben wieder einen
Zeitabstand von jeweils 0.5 ns. Die Oberflächenreflektivität von Ilc-Si ist mit der von a-Si
vergleichbar. Das bereits kristallisierte (erwärmte) Material besitzt eine wesentlich höhere
Wärmeleitfähigkeit von (240 mJ/cm s K [36]) und einen wesentlich kleineren
Absorptionskoeffizienten bei A.=532 nm (2.10 4 cm- 1 , s. Abb. 3.2) als amorphes Silizium.
Daher erwärmt sich die Probe relativ langsam, und es bildet sich nur ein kleiner
Temperaturgradient in der Schicht im Vergleich zu a-Si aus.
Die Schmelztemperatur von (mikro-) kristallinem Silizium liegt höher als diejenige von
amorphem und beträgt ca. 1400°C. Erst nach 6 ns beginnt die Schicht von der Oberfläche her
zu schmelzen. Sie wird jedoch im Gegensatz zum ersten Laserpuls (s. Abb. 5Aa) nicht
vollständig, sondern nur bis zu einer Tiefe von 95 nm aufgeschmolzen. Es wird eine
maximale Temperatur von 1650°C erreicht. Die Propagationsgeschwindigkeit der
Schmelzfront liegt bei 40-50 mJs und somit in der gleichen Größenordnung wie bei der
amorphen Schicht. 26 ns nach dem Pulsende ist die Schicht vollständig erstarrt. Die
Kristallisationsgeschwindigkeit beträgt 3.7 mJs und ist damit fast dreimal so groß wie in der
amorphen Schicht. Dies wird durch die höhere Wärmeleitfähigkeit von c-Si verursacht. Der
limitierende Faktor ist jedoch bei Schichtdicken dieser Größenordnung immer die geringe
Wärmeleitfähigkeit des Oxids. Die Entwicklung des Temperaturprofils für t» 8 ns verläuft
daher ähnlich wie in Abb. 5Ab.