View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

8 Ergebnisse und Diskussion 89
Pulsenergien sind um 2 Größenordnungen höher. Außerdem sind die hier verwendeten
Schichten wasserstoffreduziert (vgl. Kap 7.2.1 und 8.1.1) und besitzen somit eine höhere
Defektkonzentration als a-Si:H. Daher ist der hier beobachtete Effekt wesentlich stärker als
bei Rieger et al.
Im Gegensatz zu der Laserkristallisierung bei 532 nm existiert bei 1064 nm eine scharf
definierte Kristallisationsschwelle. Im Experiment wurde in Schichten, die mit 400 rnJ
Pulsenergie bei 1064 nm kristallisiert wurden, keine amorphe Phase mehr nachgewiesen. Bei
geringfügig niedrigeren Energien blieben die Schichten vollständig amorph. Eine Mischphase
wie bei 532 nm wurde nie beobachtet. Der Grund für diesen Unterschied liegt in den bei
1064 nm auftretenden nichtlinearen Effekten bei der Lichtabsorption. Bei 1064 nrn beträgt der
mittlere Absorptionskoeffizient für amorphes Silizium nach den oben genannten
Abschätzungen 7· 10 3 cm -1, derjenige des aufgeschmolzenen Materials liegt jedoch um etwa
zwei Größenordnungen höher. Daher stellt ein Aufschmelzen der Schichtoberfläche trotz der
erhöhten Reflektivität durch die starke Erhöhung der Absorption einen weiteren
selbstverstärkenden Effekt für die Erwärmung der Schicht dar. Entweder wird die Schicht
vollständig aufgeschmolzen, oder es ist keine Kristallisierung zu beobachten.
Diese Effekte sind auch die Ursache für die in Abb. 8.23 gezeigten signifikanten Unterschiede
in der Oberflächenmorphologie. Bei 1..=532 nm fallen lokale laterale Temperaturgradienten
z. B. durch Inhomogenitäten im Laserstrahlprofil nicht ins Gewicht. Es bilden sich
Wachstumsfronten aus, welche ausgehend von der Substratgrenzfläche eine Kristallisation
normal zur Schicht verursachen. Daher tritt kaum laterale Materialdiffusion auf, wodurch eine
relativ glatte Schichtoberfläche entsteht.
Bei einer Anregungswellenlänge von 1064 nm spielen dagegen geringe laterale Temperaturunterschiede
wegen der selbstverstärkenden Effekte eine wesentliche Rolle. Solche
Temperaturgradienten können durch Fluktuationen im Strahlprofil des Nd-Y AG-Lasers
(s. Kap. 7.1.1) auftreten. Wegen der starken Abhängigkeit der eingekoppelten Laserenergie
von der Schichtdicke bei 1064 nm (s. Abb. 8.19 in Kap.8.1.2.1d) auf Grund von
Interferenzeffekten genügt auch eine geringe Variation der Schichtdicke, um eine inhomogene
Erwärmung der Schicht zu verursachen. Dies führt zu einer lokalen Erhöhung des
Absorptionskoeffizienten. Diese Bereiche absorbieren dann stärker als ihre Umgebung und
die lateralen Temperaturgradienten in der Schicht werden noch größer. Wird die Schicht an
dieser Stelle aufgeschmolzen, so verstärkt sich der Effekt weiter. Die durch die
selbstverstärkenden Effekte hervorgerufenen großen lateralen Temperaturgradienten führen
dazu, daß die Kristallisationsfronten in der Siliziumschicht auch lateral verlaufen. Da die
Dichte von kristallinern Silizium mit 2.33 glcm 3 etwas niedriger ist als diejenige von
flüssigem Material von 2.42 glcm 3 , schiebt die Kristallisationsfront einen Teil des noch