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Verfahren zum Herstellen kristalliner Schichten aus hochreinem spröden Material
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Erfindung bezieht200kcal./Mol-durch eine geringe Beweglichkeit ihrer Atome unter normalen Bedingungen auszeichnen.
Zu dieser Gruppe zählen beispielsweise Silizium, Germanium, Kohlenstoff, Bor und AIIIBV-Verbindun- gen. Da der Einbau der Atome in das Kristallgitter auf Grund der geringen Beweglichkeit nur langsam er- folgt, ist es schwierig, aus derartigen Materialien dünne Einkristallschichten zu erhalten.
Die Herstellung dunner, insbesondere einkristalliner Schichten von extremer Reinheit aus diesen Ma- terialien ist aber für viele Verwendungszwecke in der Halbleitertechnik von besonderem Vorteil. Bei den bisher bekannten Aufdampfverfahren, die ohne Zusatz einer als Kristallisator wirksamen Substanz arbei- ten, war es auf Grund der geringen Beweglichkeit der Atome praktisch unmöglich, grobkristalline und vor allem einkristalline Schichten herzustellen. Die hergestellten Schichten sind oft polykristallin und blät- tern dann leicht von der Unterlage ab.
Anderseits haben die bekannten Herstellungsverfahren für dünne einkristalline Schichten durch Ab- scheiden aus der Dampf- oder Gasphase, vorzugsweise durch chemische Umsetzung, die thermische Zer- setzung in Gegenwart eines geeigneten Reduktionsmittels den Nachteil, dass sie die Gefahr des Einschlep- pens von Verunreinigungen mit sich bringen.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung zum Herstellen kristalliner, insbesondere einkristalline Schich- ten aus hochreinem sprödem Material, insbesondere Halbleitermaterial, bei dem das niederzuschlagende
Material in einem Reaktionsgefäss verdampft und auf einem in demselben Gefäss befindlichen Träger glei- chen od. ähnl. Gittertyps niedergeschlagen wird, erhält man dadurch gut ausgebildete einkristalline
Schichten, dass das niederzuschlagende Material in Form eines Dampfstrahls auf den zu beschichtenden
Träger gerichtet wird, dass der Aufdampfvorgang unter Aufrechterhaltung eines Dampfdruckes im Nieder-
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mige Zusatzstoffe, vorzugsweise Halogene oder halogenhaltige Verbindungen, zugeführt werden, deren Partialdrucke im Bereich von 10-1 bis 10-6 Torr liegen.
Als besonders günstig hat sich ein Bereich von 10- bis 10- Torr erwiesen.
Die erzielten Schichtdicken liegen in der Grössenordnung von einigen Zehnerpotenzen U, beispielsweise von 0, 1 bis 100 p. Das Verdampfen des spröden Materials erfolgt in einem Niederschlagsgefäss unter vermindertem Druck, wobei ein Stab aus dem zu verdampfenden Material an seinem einen Ende bis zum Entstehen einer Schmelze erhitzt wird. Die Beheizung des Stabes erfolgt zweckmässigerweise mittels einer Hochfrequenzspule.
Um eine möglichst gezielte Bedampfung des Trägers zu erreichen, ist es günstig, zwischen Dampfquelle und Träger eine oder mehrere Blenden, vorzugsweise aus Molybdän oder Quarzglas, anzubringen,
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durch die hindurch der Dampfstrahl auf den Träger gerichtet wird.
Die Temperatur der Dampfquelle wird hiebei so gewählt, dass sie einem Partialdruck des aufzudamp- fenden Materials von höchstens einem Torr entspricht.
Die Partialdrücke der im Niederschlagsgefäss vorhandenen gasförmigen Zusatzstoffe, die in einem
Bereich von 10-1bis 10. 6 Torr, insbesondere im Bereich von 10-2bis 10 4 Torr, liegen, werden durch
Verdampfen erzeugt.
Die Regelung des im Niederschlagsgefäss herrschenden Dampfdruckes geschieht zweckmässigerweise mittels einer Vakuumpumpe oder noch einfacher mit Hilfe einer Kühlfalle 0
DieErzeugung eines steilen Temperaturgradienten durch Kühlen der Gefässwände wirkt sich ebenfalls günstig auf die Entstehung gut kristallisierter Schichten aus.
Als Unterlage für die aufzubringenden Schichten wird zweckmässigerweise ein Träger aus kristallinem
Material von gleichem od. ähnl. Gittertyp verwendet. Wird jedoch nicht extreme Reinheit gefordert, so ist im Prinzip die Verwendung von inertem Trägermaterial, vorzugsweise Quarzglas, möglich.
Dieser Träger wird auf eine für die Kristallisation des aufgedampften Materials günstige Temperatur, beispielsweise auf einige IOOOC, beheizt.
Bei Anwendung des Verfahrens auf die Herstellung dünner Schichten aus AIIIBV-Verbinlungen ist es zweckmässig, aber nicht erforderlich, dass Halogenverbindungen von beiden Elementen zugegen sind, son- dern es genügt, eine Halogenverbindung eines der beiden Elemente zuzusetzen. Die Wahl der Verbindung kann dabei auf Grund praktischer Erwägungen erfolgen, da es oft belanglos ist, ob eine Halogenverbindung von A oder B verwendet-wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus nachfolgender Erläuterung und den in den Zeichnungen veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.
Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird, wie in Fig. 1 dargestellt, in ein evakuierbaresNiederschlagsgefäss 22, beispielsweise aus Quarz, ein Stab l aus hochreinem sprödem Material gebracht und mittels einer Halterung 4 befestigt. Nach Evakuierung des Gefässes wird der Stab an einem Ende bis zur Entstehung einer Schmelze 2 erhitzt. Die Beheizung erfolgt zweckmässigerweise mittels einer Hochfrequenzspule 8. Das aus dem Stabende verdampfende Material, beispielsweise Silizium, wird auf einem in einiger Entfernung angebrachten Träger 7 aus Material gleichen od. ähnl.
Gittertyps niedergeschlagen und zur Kristallisation gebracht. Der Träger wird dabei mittels einer Heizeinrichtung 8 auf eine für Kristallisation günstige Temperatur, beispielsweise einige hundert Grad C, erhitzt. Zwischen Dampfquelle und Träger werden eine oder mehrere, im vorliegenden Fall zwei Blenden 5 und 6 aus hitzebeständigem Material, vorzugsweise aus Quarzglas oder Molybdän, derart angebracht, dass das verdampfende Material in Form eines begrenzten Dampfstrahls auf den Träger gerichtet und ein Abdampfen in den übrigen Reaktionsraum vermieden wird.
Um im Niederschlagsgefäss eine die Kristallisation begünstigende halogenhaltige Atmosphäre zu er- zielen, ist das Reaktionsgefäss mit einem Ansatz 9 zur Aufnahme geeigneter Halogenverbindungen 20 versehen. der Ausatz befindet sich in einem Thermostaten 21, der es erlaubt, die flüssigen Halogenverbindungen jeweils auf die Temperatur zu erwärmen, die zur Erreichung der erforderlichen Partialdrukke der Halogenverbindungen von beispielsweise 10-2bis 10-4Torr durch Verdampfen notwendig ist.
Um der Forderung zu genügen, dass im Niederschlagsgefäss ein Gesamtdruckaufrecht erhalten wird, bei dem die freie Weglänge dem Abstand zwischen Dampfquelle und Träger entspricht, wird das Nieder- schlagsgefäss über einen Absaugstutzen 23 zweckmässigerweise mit einer nicht mehr dargestellten Vakuumpumpe oder Kühlfalle verbunden.
Bei einem weiteren, in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden zur Herstellung dünner Schich- tenaus AHlB -Verbindungen anstelle des Stabes 1 die Stäbe 1 und 11 aus den beiden verbindungsbildendenElementen AundB verwendet. Im Ansatz 9 befinden sich in diesem Fall die Halogenebindungen beider Elemente oder eine Halogenverbindung eines der beiden Elemente. DieSchmelzkup- pen 2 und 12 können entweder durch eine gemeinsame Heizung odsr, wie in Fig. 2 dargestellt, durch zwei getrennte Heizwicklungen 3 und 13 erzeugt werden. Im übrigen entspricht die Durchführung des Verfahrens der im vorhergehenden Ausiührungsbeispiel beschriebenen.
Bei einer speziellen Ausuhrungsform des Verfahrens wird in der Vorrichtung gemäss Fig. 1 ein Siliziumstab 1 mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Länge von 5 cm mit einer Hochfrequenzspule 3 mittels 4 MHz so weit erhitzt, dass eine selbsttragende Schmelzkuppe 2 entsteht. Durch eine in Fig. 1 nicht gezeigte Klappe wird der Siliziumdampfstrahl vorerst unterhalb des Trägers 7 abgefangen. Nach etwa einer Minute wird der Thermostat 21, der mit flüssiger Luft gefüllt ist, gegen ein Gefäss mit einer Temperatur von -300C ausgewechselt. Dadurch wird das Siliziumtetrachlorid, das sich
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im Ansatz 9. befindet, langsam verdampft. Der entstehende Siliziumtetrachlorid-Gasstrom wird laufend mit einer Quecksilberdiffusionspumpe über den Stutzen 23 abgesaugt. Dieser Vorgang dauert etwa fünf Minuten.
Dann wird der Träger 7, der aus einer polierten Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von30mm und einer Stärke von 250 jn besteht, mittels der Strahlungsheizung 8 auf etwa 800 C beheizt. Diese Temperatur wird während des Aufdampfens nicht gemessen, sondern vorher empirisch bestimmt. Nach weiteren zwei Minuten hat der Träger seine Beschichtungstemperatur erreicht. Gleichzeitig hat sich das geeignete Gasgemisch zur Aufdampfung eingestellt. Jetzt wird die Klappe zur Seite geschwenkt und der Aufdampfvorgang beginnt. Während des Aufdampfens wird die zugeführte Leistung zur Hochfrequenzspule 3 konstant gehalten.
Nach einer Bedampfungsdauer von zehn Minuten wurde eine einkristalline Siliziumschicht mit 2, 1 0, 3. 10' u erhalten.
Diese Schichten sind geeignet zur Herstellung von Transistoren, insbesondere von Mesa-Transistoren.
Durch Zusatz von Bortrichlorid oder Phosphorpentachlorid zum Siliziumtetrachlorid gelingt es, bei der gleichen Arbeitsweise dotierte Siliziumschichten zu erhalten.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Herstellen kristalliner, insbesondere einkristalline Schichten aus hochreinem
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Gittertyps niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dassdas niederzuschlagende Material in Form eines Dampfstrahls auf den zu beschichtenden Träger gerichtet wird, dass der Aufdampfvorgang unter Aufrechterhaltung eines Gasdrucks im Niederschlagsgefäss durchgeführt wird, bei dem die freie Weglänge in der Grössenordnung des Abstandes zwischen Dampfquelle und Träger liegt, und dass dem Dampf des niederzuschlagenden Materials gasförmige Zusatzstoffe, vorzugsweise Halogene oder halogenhaltige Verbindungen, zugeführt werden, deren Partialdrucke im Bereich von 10-1 bis 10-6 Torr liegen.