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Verfahren zur Herstellung einkristalliner Plättchen aus
Halbleitermaterial
Bei derHerstellung verschiedener elektronischerBauelemente gewinnt die Verwendung einkristalliner
Plättchen aus Halbleitermaterialien, vorzugsweise aus Silizium oder Germanium steigende Bedeutung. Dies gilt nicht nur für die heute bereits in technischem Umfang hergestellten Transistoren und Dioden, sondern ist im verstärkten Masse auch bei der Entwicklung von Schaltungseinheiten (solid circuits) zu er- warten, die eine bestimmte Funktion ausüben, die sonst nur von mehreren Elementen ausgeübt werden kann und die aus verschiedenen Schichten mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften bestehen, wel- che jeweils eine bestimmte Funktion haben.
Zur Herstellung solcher einkristalliner Plättchen wird üblicherweise mit dem Zonenschmelzverfahren gereinigtes Material verwendet, welches mit einem Impfkristall aus der Schmelze zu einem Einkristall gezogen wird. Dabei wird die Wachstumsrichtung vorgegeben und meist auch noch mit nur einer Schmelzzone erneut gereinigt. Anschliessend muss der so erhaltene Einkristall in mehreren Arbeitsgängen mit Trennscheiben zerteilt werden. Die entstehenden Plättchen werden sodann geschliffen und auf die gewünschte Dicke geätzt. Dieses Herstellungsverfahren hat den Nachteil, dass zahlreiche langwierige Arbeitsgänge notwendig sind und dass ein ziemlich hoher Verlust an bereits hochgereinigtem und deshalb teurem Material auftritt.
Ait den üblichen bisher bekannten Verfahren zur Reinigung und Herstellung der Kristalle lassen sich nur vergleichsweise kleine Temperaturgradienten erzielen. Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass sich nur verhältnismässig geringe Prozessgeschwindigkeiten erzielen lassen.
Es ist auch bekannt, zum Zonenschmelzen vonHalbleitermaterial einenladungsträgerstrahl zu verwenden. Hier erfolgt die Erhitzung des Materials lediglich zum Zwecke der Reinigung des Materials.
Ferner ist es bekannt, zur Herstellung von zylinderförmigen Halbleitern vorgereinigtes zylinderförmigesHalbleitermaterial in einzelnen Stücken auf eine zylinderförmige Unterlage aufzustecken und dieses Material mittels eines Elektronenstrahles aufzuschmelzen. Diese Aufschmelzung geht vom Ort eines Impfkristalles aus, so dass also schliesslich eine einkristalline Halbleiterschicht zylinderförmiger Gestalt entsteht.
Es ist schwierig und zeitraubend, diese Halbleiterschicht in einzelne Plättchen gewünschter Gestalt zu zerteilen. Insbesondere ist auch der Abfall hier recht gross.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Plättchen aus Halbleitermaterial, bei welchem vorgereinigtes Material in einem evakuierten Gefäss mit einem Impfkristall in engen mechanischen Kontakt gebracht und sodann ausgehend vom Impfkristall mittels eines Ladungsträgerstrahles aufgeschmolzen wird. Gemäss der Erfindung wird der Ladungsträgerstrahl so über das Material bewegt, dass eine Anzahl einkristalliner Teilbereiche gewünschter Form und Grösse entsteht, die untereinander durch einkristalline Brücken verbunden sind. Es gelingt also mit Hilfe dieses Verfahrens in einem Arbeitsgang, einkristalline Plättchen gewünschter, beliebiger Form herzustellen, die sehr einfach voneinander getrennt werden können.
Das zum Anwachsen an denImpfkristall bestimmte vorgereinigte Material wird bei diesem Verfahren durch Aufdampfen, Aufstäuben oder durch Anlagerung in die Schmelzzone eingebracht.
Das neue Verfahren findet besonders vorteilhafte Anwendung zur Herstellung einkristalliner Plättchen, wie sie beispielsweise bei der Transistor- und Diodenherstellung Verwendung finden. Zur Herstellung solcher Plättchen wird vorzugsweise das vorgereinigte Material auf eine mit einem Impfkristall ver-
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sehene Unterlage aufgebracht, wobei der Ladungsträgerstrahl aus einer Richtung senkrecht zur Oberfläche dieser Unterlage auf dieses Material auftrifft und senkrecht zu seiner Auftreffrichtung bewegt wird.-
Es ist mit Hilfe des neuen Verfahrens nicht nur möglich, flächenhafte Einkristalle zu erzeugen, son- dern es ist auch möglich, Einkristalle räumlich, d. h. also freitragend an einen Impfkristall anwachsen zu lassen.
Zu diesem Zweck wird zunächst der Impfkristall auf eine Unterlage aufgebracht. Danach wird laufend vorgereinigtes Material aus einer im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Unterlage gele- genenRichtung auf den Impfkristall und seine Umgebung aufgebracht, wobei zugleich der Ladungsträgerstrahl aus einer Richtung parallel zur Oberfläche der Unterlage einfällt und senkrecht zu seiner Auftreffrichtung bewegt wird. Beim Aufbringen des vorgereinigten Materials auf den Impfkristall und seine Umgebung muss die Geschwindigkeit der Materialzuführung gleich oder grösser sein als die Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalles.
Auch bei räumlich wachsendenEinkristallen ist das Verfahren so ausgestaltet, dass die Einkristalle von vornherein nur bis zu Abmessungen der gewünschten Grösse wachsen und dass sodann ausgehend von diesen Kristallen einkristalline Brücken erzeugt werden, die Ansatzpunkte für weitere Einkristalle gewünschter Grösse sind.
DieBewegung desladungsträgerstrahles über das Material wird bei dem neuen Verfahren zweckmässig in der Weise vorgenommen, dass der-Ladungsträgerstrahl rasterförmig über das Material geführt wird und dass während der Bewegung des Strahles seine Intensität verändert wird.
In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, das auf eine Unterlage aufgebrachte Material einer Vorerhitzung zu unterwerfen und nur den Rest der zur'Aufschmelzung notwendigen Wärmeenergie durch den Ladungsträgerstrahl zu gewinnen. Die Vorerhitzung kann dabei mittels der üblichen Wärmequellen, beispielsweise mittels eines Temperofens vorgenommen werden.
Der die gewünschte Orientierung des entstehenden Einkristalles bestimmende Impfkristall wird zweck- mässig nach erfolgter Umwandlung des Materials in eine einkristalline Struktur mittels des nunmehrmit erhöhter Intensität auf treffenden Ladungsträgerstrahles von der Schicht abgetrennt. Der abgetrennte Impfkristall kann sodann für die Herstellung weiterer Schichten Verwendung finden.
Für die Herstellung von flächenhaften Einkristallen kann die Unterlage aus Material bestehen, das anschliessend an die Umwandlung der Schicht in einen Einkristall abgeätzt oder abgelöst werden kann. Die Unterlage kann auch aus Material bestehen, welches die endgültige Unterlage des Einkristalles bilden soll. Insbesondere ist es auch möglich, die Unterlage aus demselben Material zu wählen, wie das aufgebrachte Material.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-3 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausübung des neuen Verfahrens ; Fig. 2 eine perspektivischeAnsicht einer mit Material beschichteten Unterlage, wobei ein Teilbereich des aufgebrachten Materials in eine einkristallineSchicht umgewandelt ist ; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Unterlage mit darauf aufgebrachtem Impfkristall und an den Impfkristall angewachsenen Einkristallbereichen.
In Fig. l ist'mit l die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungssystems bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von beispielsweise 50 bis 100 kV erzeugt und mittels einesHochspannungskabels dem Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Steuerzylihdervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungskabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt, welches den Elektronenstrahl 11 erzeugt.
Wird im Gerät 5 eine periodische Steuerspannung erzeugt, welche die Vorspannung der Steuerelektrode periodisch so weit abträgt, dass das Strahlerzeugungssystem entsperrt wird, so entsteht an Stelle des Elektronenstrahles 11 eine Folge von Strahlimpulsen. Die Steuerspannung wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Strahlimpulse eine sehr kleine Dauer, in der Grössenordnung von 10-4 bis 10-6 sec haben.
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der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des Elek- tronenstrahles 11 fällt dieser durch eingeerdetes Rohr 12 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 13 auf das auf einer Unterlage 14 aufgebrachte Halbleitermaterial 15 fokussiert.
Unterhalb der elektromagnetischen Linse 13 ist ein Ablenksystem 17 angeordnet, welches zur Bewegung des Elektronenstrahles über das Material 15 dient. Mittels der Generatoren 18 und 19 werden die zur Versorgung der Linse 13 und des Ablenksystems 17 dienenden regelbaren Ablenkströme erzeugt.
Zur Beobachtung des Aufschmelzvorganges dient ein optisches System, welches die mikroskopische
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Auflichtbeleuchtung der Unterlage 14 erlaubt. Dieses System besteht aus einem Beleuchtungssystem 20, welches paralelles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metallische Prismen 21 und 22 auf eine in axialer Richtung verschiebbare Linse 23 reflektiert und wird von dieser auf die Schicht 15 fokussiert. Unterhalb der Linse 23 ist eine auswechselbare Glasplatte 24 angeordnet, welche die Linse vor etwaigen Verunreinigungen schützt. Die Linse 23 wird zusammen mit der Glasplatte 24 mittels des Knopfes 25 in axialer Richtung bewegt.
Das von der Oberfläche des schichtförmigen Materials 15 reflektierte bzw. ausgehende Licht wird durch die Linse 2 ? parallelgerichtet and über den Spiegel 28 in das als Stereomikroskop ausgebildete Beobachtungssystem 27 gelenkt.
Im Bearbeitungsraum 30 ist die Unterlage 14 auf einem schematisch dargestellten Kreuztisch angeordnet, welcher mittels des Handrades 29 in einer Richtung bewegt werden kann.
Wird ein Elektronenstrahl verwendet, welcher beispielsweise einen runden Querschnitt aufweist, so wird dieser mittels des Ablenksystems 17 rasterförmig über die Schicht 15 geführt, wobei während der Be- wegung seine Intensität verändert wird. Bei 16 ist der Impfkristall aufgebracht, so dass also die Aufschmelzung der Schicht 15 vom Rande her erfolgt. Der Elektronenstrahl wird dabei mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt, dass die Wanderungsgeschwindigkeit der entstehenden Schmelzzone der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalles angepasst ist.
Das Material der Schicht 15 kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufstäuben auf die Unterlage 14 aufgebracht sein. Die Dicke sowie die Tiefenausdehnung der durch den Elektronenstrahl 11 hervorgerufenen Schmelzzone lässt sich durch entsprechende Ausbildung des Strahlquerschnittes sowie durch die Wahl der Strahlspannung und/oder der Leistungsdichte des Strahles wählen.
Fig. 2 zeigt eine vergrösserte perspektivische Ansicht einer Unterlage 14, auf welcher ein Impfkristall 40 in der Mitte angeordnet ist. Der Elektronenstrahl 11 wird ausgehend vom Impfkristall 40 entlang der Linie 41 zum Ort 42 bewegt. Bei dieser Bewegung wird das Material in der Spur 41 des Elektronenstrahles in seiner Kristallstruktur in gewünschter Weise geändert. Hat nun der Elektronenstrahl den Ort 42 erreicht, so wird beispielsweise durch eine Spiralführung des Elektronenstrahles ein Plättchen gewünschter Form und Grösse aufgeschmolzen und dabei in eine einkristalline Schicht verwandelt. Ausgehend von dem einkristallinen Plättchen 42 wird sodann der Elektronenstrahl entlang der Linie 43 weiterbewegt und bei 44 wird durch entsprechende Bewegung des Strahles ein weiteres einkristallines Plättchen erzeugt.
Sodann wird der Strahl zum Plättchen 42 zurückgeführt und gelangt von dort entlang der Linie 45 zum Ort 46, wo wieder
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nen Plättchen gewünschter Form und Grösse hergestellt, welche jeweils durch einkristalline Brücken miteirander verbunden sind. Die einkristallinen Plättchen lassen sich nach erfolgter Umwandlung in einfacher Weise mittels desselben Ladungsträgerstrahles von dem übrigen Material und von den einkristallinen Brücken trennen.
Es ist auch möglich, den Elektronenstrahl 11 rasterförmig über das auf der Schicht 14 aufgebrachte Material zu bewegen, wobei jedoch das Raster vom Ort des Impfkristalles 40 ausgeht. In diesem Fall wird während der rasterförmigen Bewegung des Elektronenstrahles seine Intensität verändert. Dies kann in einfacher Weise durch eine Programmsteuerung geschehen, welche den Ladungsträgerstrahl nur dann zur Wirkung kommen lässt, wenn er auf ein Flächenelement auftrifft, welches aufgeschmolzen werden soll.
AnStelle eines linienförmigenRasters kann der Elektronenstrahl 11 auch ein aus konzentrischen Kreisen wachsenden Durchmessers bestehendes Raster beschreiben. In diesem Fall bildet der Impfkristall 40 den Mittelpunkt des Kreisrasters.
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