<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Aufdampfen einkristalliner Siliziumschichten auf aus einkristallinem Silizium bestehenden Trägerkörpern
EMI1.1
darin, dassschmelzbarem Metall einen Elektronenstrahl erzeugt, mit Hilfe dieses Elektronenstrahls Material, aus dem der Einkristall hergestellt werden soll, zur Verdampfung bringt und den Dampf auf einem einkristal- linen Keim des Materials kondensiert. Dabei kann der Keimkristall durch zusätzliche Mittel, z. B. eine
Infrarotlampe, erwärmt und durch den Grad der Erwärmung die Geschwindigkeit des einkristallinen Wachs- tums des Keims gesteuert werden.
Dieses Verfahren wurde bei einer Reihe von Stoffen erprobt und führte bei manchen Materialien zu
Einkristallen mit befriedigenden Eigenschaften. Eine Anwendung des Verfahrens auf Silizium ergibt je- doch im allgemeinen nicht einkristalline, sondern polykristalline SiliÛumschichtel1, selbst wenn der zur
Abscheidung verwendete Träger aus einkristallinem Silizium mit hochgereinigter Oberfläche besteht. Es ist Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren zum Aufdampfen einkristallinen Siliziums so auszu- gestalten, dass einkristalline Siliziumschichten beliebiger Stärke auf einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Träger abgeschieden werden können.
Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufdampfen einkristalliner Sili- ziumschichten auf aus einkristallinem Silizium bestehende Trägerkörper, bei dem der benötigte Siliziumdampf durch Einwirkung einer elektrischen Entladung auf Silizium erzeugt, auf dem Trägerkörper niedergeschlagen und zur Ankristallisation gebracht wird und besteht darin, dass in einem hochevakuierten, den zu bedampfenden Träger enthaltenden Gefäss Silizium durch eine zwischen den Spitzen zweier an sich bekannter aus hochreinem Silizium bestehender Elektroden übergehende impulsartig betriebene, elektrische Entladung zur Verdampfung gebracht und auf die gereinigte, unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium, jedoch mindestens auf 8000 C erhitzte Oberfläche des Trägerkörpers niedergeschlagen wird.
Wie bei den zur Erfindung führenden Untersuchungen festgestellt wurde, liegen die Schwierigkeiten, die sich der Erzeugung einkristalliner Siliziumschichten durch Aufdampfen entgegenstellen, vor allem darin, dass bei den technisch möglichen Vakua viel zu viel Fremdstoff in das aufgedampfte Silizium eingebaut wird, der im Falle des Aufdampfens wesentlich leichter zu einem polykristallinen Wachstum des niedergeschlagenen Siliziums führt als es der Fall wäre, wenn das Silizium aus einer gasförmigen, insbesondere halogel1artigen Verbindung auf dem erhitzten einkristallinen Trägerkörper niedergeschlagen würde. Dies gilt in besonderem Masse, wenn der Siliziumdampf durch länger dauerndes Überhitzen von Silizium in einem Verdampfer oder auch durch einen einwirkenden Elektronenstrahl erzeugt wird.
Zudem sind gerade diese bekannten Erzeugungsarten von Siliziumdampf mit Einrichtungen, wie z. B. Verdampfungsgefässen oder Glühkathode gekoppelt, welche ihrerseits einen erheblichen Beitrag an die Einkristallbildung verhindernden und ausserdem in unkontrollierbarer Weise dotierend wirkenden Verunreinigungen liefern. Will man solche Verunreinigungen bei den bekannten Aufdampfverfahren möglichst ausschalten, so ist die Anwendung relativ niedriger Verdampfungstemperaturen die zwangsläufige Folge, so dass der Siliziumdampfdruck im Vergleich zum Dampfdruck der im besten Vakuum noch vorhandenen Fremdstoffe ein ungünstiges Verhältnis erhält und dementsprechend die aufgedampften Siliziumschichten polykristal-
<Desc/Clms Page number 2>
lin werden und ausserdem bereits unkontrollierbar verunreinigt sind.
Denn unter den genannten Umstän- den erhält man in dem mit dem Abscheidungskörper in Kontakt stehenden Siliziumdampf noch einen
Fremdstoffpartialdruck von mindestens 10-5 bzw. 10-6 Torr zu einem Siliziumdampfdruck von höchstens 10-2 Torr. Eine Verbesserung muss also in erster Linie darauf gerichtet sein, den Siliziumdampfdruck zu erhöhen, ohne dass dabei gleichzeitig eine Erhöhung des Dampfdruckes der Fremdstoffe erfolgt. Diese Auf- gabe ist bei dem gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren gelöst, da bei diesem Verfahren die als
Träger der Entladung verwendeten, aus hochreinem Silizium bestehenden Elektroden gleichzeitig als Quel- le des für die Bedampfung benötigten Siliziumdampfes dienen.
Ferner sind durch die Reinigung und Er- hitzung der Oberfläche des Abscheidungsträgers an dieser Oberfläche Bedingungen erzielt,'welche den
Einfluss von niedergeschlagenen Verunreinigungen auf das einkristalline Wachstum stark zurückdrängen.
Als TrägerkörperwerdenvorwiegendSiliziumeinkristalle verwendet, wenn auch die Anwendung anderer
Trägerkörper, welche durch bekannte oder vorgeschlagene Verfahren mit einer einkristallinen Silizium- schicht versehen sind, ebenfalls möglich ist. Die Oberfläche des Trägers wird vor der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens von Oberflächenstörungen, wie Oxydationsstellen, Verschmutzungen u. dgl. in hohem Masse befreit. Zu diesem Zweck kann in bekannter Weise z. B. eine Ätzbehandlung oder ein
Glühen des Trägers mit einem ätzenden Gas, welches keine Oxydstellen an der Halbleiteroberfläche er- zeugt, z. B. Cul2, angewendet werden. Die Temperatur des Abscheidungsträgers soll möglichst hoch ein- gestellt werden und mindestens 8000 C betragen.
Ein Aufschmelzen des abgeschiedenen Siliziums ist je- doch zu vermeiden, da sonst, abgesehen von der Gefahr des Abtropfens, die hohe Oberflächenspannung flüssigen Siliziums zu Tropfenbildung und damit zu einem Ungleichmässigwerden der aufgedampften Si- liziumschicht führen würde. Es empfiehlt sich deshalb, die Trägererhitzung auf vorzugsweise 12000 C einzustellen.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der gereinigte Trägerkörper in ein evakuier- bares, gereinigtes Behandlungsgefäss, z. B. aus Quarz, gebracht und nach Evakuierung des Gefässes auf mindestens 8000 C, vorzugsweise 12000 C, erhitzt. Handelt es sich um das Bedampfen von kleineren Sili- ziumeinkristallen, so sind zu diesem Zweck die Kristalle zweckmässig auf einer durch Stromdurchgang erhitzten, thermisch beständigen Unterlage aus Silizium, Molybdän od. dgl. angeordnet und werden durch Beheizung der Unterlage auf die gewünschte Temperatur, z. B. durch direkten Stromdurchgang oder HFInduktion oder kapazitive Erwärmung erhitzt.
Im Behandlungsgefäss befinden sich ausserdem mindestens ein Paar von aus hochreinem Silizium bestehenden Elektroden, zwischen denen durch Anlegen einer entsprechend hochgespannten Spannungsquelle eine Folge hochtemperierter, vorwiegend kurzdauernder Entladungsstösse erzeugt wird. Die biliziumelektroden konnen innerhalb eines besonderen aus thermisch hochbeständigem Material, z. B. Molybdän, bestehenden Gefässes angeordnet sein, welches mit einer Blenden- öffnung versehen ist, aus welcher der infolge der Entladungen entstehende Siliziumdampf in Richtung auf die zu bedampfenden Kristalle austritt. Ferner können zur Begrenzung des Dampfstrahles weitere Blenden zwi- schen den Elektroden und den zu bedampfenden Kristallen vorgesehen sein.
Durch Wahl des Abstandes der Bedampfungsquelle von den zu bedampfenden Kristallen kann die Wachstumsgeschwindigkeit eingestellt werden. Ein Optimum hat sich dabei herausgestellt, wenn die Kristalle sich in einer Entfernung von etwa 7 cm von der Verdampfungsquelle, also den Spitzen der Siliziumelektroden, befinden. Das Vakuum im Bedampfungsgefäss sollte möglichst hoch sein, also mindestens 10-5 Torr betragen. Bei den zur Erfindung führenden Versuchen wurden 10-6 Torr und weniger angewendet. Es empfiehlt sich ferner, die Wandung des Behandlungsgefässes sowie gegebenenfalls auch die Halterungen der Elektroden zu Kühlen. Gegebenenfalls kann die Dampfquelle über die zu bedampfenden Kristalle insbesondere periodisch hin-und herbewegt werden.
Da die Entladung zwischen den beiden zunächst kalten oder höchstens nur mässig temperierten Sili- ziume. 1ekttoden unter Hochvakuum stattfindet, ist eine Feldstärke von mindestens 10 -6 V Icm erforderlich, um die Entladung einzuleiten. Da bei entsprechend hoch gewählter Spannung die Durchbruchfeldstärke am ersten an den gegeneinander zugekehrten Spitzen der Elektroden erreicht bzw. überschritten wird, setzt die Entladung an den Elektrodenspitzen ein und bleibt im wesentlichen auf diese beschränkt. Diese Entladung ist entweder eine Funkenentladung oder eine Bogenentladung, wenn die Stromquelle entsprechend ergiebig ist.
Bei der Wahl der Spannung zwischen den beiden Elektroden und der Ergiebigkeit der Stromquelle ist darauf zu achten, dass die Verdampfungstemperatur von Silizium (etwa 27000 C) mindestens kurzzeitig an den Elektrodenspitzen überschritten wird.
Die höchsten Temperaturen lassen sich erfindungsgemäss mit Stossfunken erzeugen. Solche Funken lassen sich verhältnismässig einfach durch elektrostatische Mittel erreichen. Wird z. B. ein auf hohe Span- 11ung aufgeladener Kondensator über die zwischen den beiden Siliziumelektroden liegende hochevakuierte
<Desc/Clms Page number 3>
Entladungsstrecke entladen, so erhält man bei entsprechend hoher Spannung extrem hoch temperierte Funken, welche die Eigenschaft haben, zu einer starken Verdampfung von Silizium zu führen, ohne dass dabei schmelzflüssiges Silizium in merklichem Masse entsteht. Eine zur Erzeugung von Stossfunken geeignete Schaltung ist in Fig. 1 dargestellt.
Die beiden Belegungen des Hochspannungskondensators C, der zweckmässig in der Grössenordnung von 0, 01 uF gewählt ist, sind mit den Siliziumelektroden 1 und 2 verbunden. Die Hochspannungsquelle Sp, z. B. eine Influenzmaschine oder ein Bandgenerator, ladet (zweck- mässig über einen Vorschaltwiderstand Rv von 10 Mn den Kondensator C auf mehrere Hunderttausend Volt auf. Sobald die Zündspannung zwischen den Elektroden 1 und 2 erreicht ist, setzt die Entladung ein und dauert so. lange, bis die Spannung zwischen den Elektrodenspitzen unter die Löschspannung gesunken ist.
Während der Dauer der Wiederaufladung T des Kondensators C, die sich bekanntlich mittels der Formel
T = Rv. C berechnen lässt, findet keine Entladung statt. Es ist deshalb die Dauer der Wiederaufladung der Elektroden so gross zu wählen, dass sich die Elektroden wieder, abkühlen und ein Abtropfen geschmolzenen Elektrodenmaterials verhindert wird. Der Abstand zwischen den Elektroden zur Erzielung einer Funkenentladung beträgt im vorliegenden Falle zweckmässig einige Millimeter, z. B. 1-10 mm. Diese Funkenentladungen sind extrem kurzdauernd aber auch extrem hoch temperiert.
Es ist aber auch möglich, das Verfahren gemäss der Erfindung mit Lichtbogenimpulsen durchzuführen, wenn die Elektroden beweglich ausgeführt sind. Eine diesbezügliche Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Gleichspannungsquelle G von zirka 100 V ist über einen Vorschaltwiderstand Rv mit den beiden Siliziumelektroden 1 und 2 verbunden. Durch kurze Berührung der Elektrodenspitzen mit nachfolgendem Auseinanderziehen auf einige Millimeter wird die Entladung gezündet und bleibt trotz der verhältnismässig niedrigen Spannung erhalten. Sie brennt trotz der Evakuierung des Behandlungsgefässes als Bogenentladung und ist mit merklicher Verdampfung sowie Aufschmelzen von Silizium verbunden. Da dieses Aufschmelzen rasch zu einem Abtropfen von Silizium führen würde, muss die Entladung wieder rechtzeitig ausgeschaltet werden. Dies kann z.
B. manuell oder besser durch ein in den Stromkreis der Entladung geschaltetes Sch. 1ellschütz Sch erfolgen.
Es empfiehlt sich, den Durchmesser der Elektroden mindestens in der Grössenordnung von 1 bis 2 cm zu wählen, da dann einmal die Verkürzung der Elektroden infolge des Abdampfen geringer i t und zum an- dern der Eigenwiderstand der Elektroden gegenüber dem der Entladungsbahn nicht zu stark ins Gewicht fällt. Zweckmässig sind die Elektroden an ihren die Entladung tragenden Enden zugespitzt, wobei diese Zuspitzung relativ stumpfwinklig sein kann. Der generelle Gesichtspunkt bei der Dimensionierung der Elektroden besteht vor allem darin, zu erreichen, dass möglichst wenig Material aufgeschmolzen wird.
Eine zweckmässige Art der Halterung der Elektroden ist in Fig. 3 dargestellt. Die Siliziumelektrode Si ist in einer Halterung a aus Kohle befestigt, die ihrerseits in eine Kupfermanschette b eingebettet ist.
Die Länge der Elektroden kann beliebig sein, z. B. etwa 3 cm. Die Kupfermanschette b ist mit einer Zuleitung zur Betriebsspannungsquelle verbunden. Sie kann als Hohlkörper ausgestaltet sein und zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels für die Elektroden dienen. Es empfiehlt sich, die Elektroden zu Beginn des Verfahrens vorzuwärmen, um durch Herabsetzung des spezifischen Widerstandes dieser Elektroden das
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
de mit einer 3 starken Schicht aus einkristallinem Silizium.
Um einen gleichmässigen Abbrand der Siliziumelektroden zu erreichen, ist es zweckmässig, die Siliziumelektroden um ihre Achse zu drehen. Dadurch erreicht man auch, dass der Verdampfungsfleck an der gleichen Stelle im Raum bleibt. Dies ist wichtig, damit der durch Masken oder Blenden hindurchtretende verdampfende Atomstrahl immer die gleiche Stelle relativ zur Anlage trifft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Aufdampfen einkristalliner Siliziumschichten auf aus einkristallinem Silizium bestehende Trägerkörper, bei dem der benötigte Siliziumdampf durch Einwirkung einer elektrischen Entladung auf Silizium erzeugt, auf dem Trägerkörper niedergeschlagen und zur Ankristallisation gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem hochevakuierten, den zu bedampfenden Träger enthaltenden Gefäss (B) Silizium durch einen zwischen den Spitzen zweier an sich bekannter aus hochreinem Silizium bestehender Elektroden (1, 2) übergehende, impulsartig betriebene elektrische Entladung zur Verdampfung gebracht und auf die gereinigte, unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium, jedoch mindestens auf 8000 C erhitzte Oberfläche des Trägerkörpers (K) niedergeschlagen wird.