DE1565173A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von elektrisch leitendem Material,insbesondere Halbleitermaterial - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von elektrisch leitendem Material, insbesondere ilialbleitermaterial Die ßrfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von elektrisch leitendem Material, insbe -sondere Halbleitermaterial, durch die änwendung von Molekularstrahlen. Unter Behandlung Wird dabei sowohl eine solche der Oberfläche eines Körpers wie auch eine auf das ganze Volumen des Körpers sich erstreckende verstanden. Vor allem sind hierzu zu rechnen die Oberflächenreinigung (Ätzung) bzw. - bearbeitung, das aufdampfen von Substanzen sowie das Erwärmen (Tempern) des Körpers.
• Es ist bekannt, sich zu den genannten Zwecken der enwendung von Kolekularstrahlen zu bedienen. Mit dem Beschuß durch im Vakuum beschleunigte Ionen kann an der Oberfläche eines Körpers die Abtragung von Substanz vorgenommen werden, d.h. sowohl von Eigensubstanz, als auch von Fremdsubstanzen. Der zu behandelnde Körper wird als Katode in einer Glimm- oder Niederdruckentladung geschaltet. Durch Stoßiontation eines Edalgases oder eines inerten Ga- ses werden Positivs Ionen erzeugt, welche auf den auf nega- tiveng Potential liegenden Körper hin beschleunigt werden und beim Auftreffen auf dessen Oberfläche unter geeigneten Bedingungen durch hnergieaustausoh Oberflächenatome los- lösen. Die Ionenätzung läBt sich u.a. überall dort mit Briolg an- wenden, wo die zu ätzenden Substanzen von chemischen Mitteln nicht angegriffen werden oder wo eine spezifische Ätzlösung für die zu behandelnde Substanz entweder nicht bekannt ist oder :seine befriedigenden Ergebnisse liefert. Man kann sie auch als Erginzung zur chemischen Ätzung anwenden. Der besondere Vorteil der Ionendtzung gegenüber der chemischen Atzung ist darin zu sehen, daß die Abtragung im Vakuum und damit unter 3eitaus saubereren und kontrollierbareren Bedingungen stattfindet. Eine weitere bekannte nrt von :@olekularatrahlen sind L#ampfatrahlen. Lurch Verdampfen von Substanzen und Kondensieren der Dämpfe auf einem Substrat lsssen sich dünne ichichten (z.B. "pitazieschichten) auf dessen uberfl.;che erzeugen; mit _:ilfe von Blenden kann mun erreichen, daß nur bestimmte Bereiche einer zu bedampfenden Oberfi-iche den sich geradlinig ausbreitenden Lampfstrahlen ausgesetzt sind. Daher hat die nufdampfung eine besondere Bedeutung fUr die Halbleitertechnik, z.B, für ilehrachic'htanordnungen.e lassen sich auch Schichten bestimmter Materialien auf Halbleitersubstrate aufdampfen, welche zur Erzeugung vorgegebener elektrischer Eigenschaften bestimmter Bereiche des Halbleitersubstrates und zur Erzeugung von p-n-Übergingen ein-legiert werden. allerdings muß hier die grundlegende Vor- aussetzung erfüllt sein, daß die Oberfläche des Substrates frei von Verunreinigungen ist. Dieser Forderung wird aber, wenn das Substrat nach einer vorhergegangenen Ätzung, sei es auf chemischem Wege oder durch Ionenbeschu8, nur bedingt entsprochen, wenn die gereinigten Oberflächen bei der Um- lagerung in den Bedampfungsrezipienten mit der atmosphärischen Luft in Berührung kommen. Ein bekanntes Verfahren versucht, diesen Mangel dadurch zu beseitigen, daB beides, die Zonenätzung und die Bedaapfung, in demselben Vakuum durchgeführt wird, indem das Substrat aus einem Raumteil des Rezipienten, in dem die Ionenätzung stattgefunden hat, in einen anderen verlagert wird, welcher die Bedampfungseinrichtung enthält. Diese ist such mit einer ,.iderstandsheizung für das Substrat versehen, so daß im Anschluß an die oder in Verbindung mit der Bedampfung ein Einlegieren der aufgedampften Schicht stattfinden kann.
• Nach diesem Verfahren läßt sich zwar die Ionenätzung mit der Bedampfung sowie dem linlegieren der aufgedampften Schicht verbinden, ohne daß eine Verschmutzung durch atmosphärische Luft erfolgen kann; für die praktische Anwendung, insbesondere in der recht komplizierten Halbleitertechnik, bestehen jedoch noch erhebliche Mängel, welche wesentlich durch die Notwendigkeit der Umlagerung des Substrates bedingt sind. Es ist kaum gewährleistet, daß die in der Regel sehr kleinen Objekte In definierter Lage ab-. gelegt werden. Das muß aber sichergestellt sein, da Bedampfen, Tempern und gegebenenfalls Ätzen in der Halbleitertechnik in der Regel mehrfach nacheinander und beschränkt auf bestimmte überflächenbereiche durchgeführt werden müssen. Die iiderstandsheizung des Substrates bedingt nicht nur große '1rärmeverluste durch Strahlung; von dem z.B. aus PZolybdändrsht bestehenden Heizer und von seiner dbschirmung dampfen Verunreinigungen ab und gelangen auf das Substrat, wo sie bei der hohen Temperatur eindiffundieren. i«it der Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, verfahrensmäßig so vorzugehen, daß das Substrat während der ganzen Dauer der gegebenenfalls abwechselnd erfolgenden Behandlungsprozesse, insbesondere des i.tzens, des Bedampfens und des Temperns, in seiner Lage innerhalb des Rezipienten verbleiben kann und vor jeder Verunreinigung durch unerwünschte Fremdsubstanzen weitgehend bewahrt bleibt. Dieses wird dadurch erreicht, d aß der während eines Ionenbeschusses, insbesondere einer Ionenätzung, au-f Katodenpotential liegende zu behandelnde Körper zum Zwecke einer Wärmebehandlung in demselben Vakuum durch ein Elektronenbombardement, in Verbindung mit oder unabhängig von einer Bedampfung, mit dem positiven Pol einer Hoohspannunga-@ quelle verbunden wird. Damit entfällt, wie noch weiter ausgeführt werden wird, die Umlagerung des zu behandelnden Körpers, der während aller Behandlungsprozesse, also des Ionenätzens, des Bedempfens und des Temperns, in seiner ursprünglichen Lage verbleibt. Die Wechselfunktion von Katode und Anode schafft die Xöglichkeit der Anwendung der sehr sauberen Elektronenstrathheizung für das Substrat und die räumlichen Voraussetzungen für die Unterbringung der Bedampfungseinriahtung. Ionen-besohuß und Elektronenbombardement erfolgen unter Verwen- dung derselben Elemente, d.h. Elektronenquelle, Anode, Katode, Blenden, Gitter eto., und ohne daB diese in ihrer Lager verändert werden müssen. Die Bedampfung kann gleich- zeitig mit.dem Heizen des Körpers durch Elektronenbombardement vorgenommen Werden. Bei Anwendung an sieh bekannter, gegeneinander austauschbarer Basken zur Begrenzung der aufgedampften Schichtbereiche lassen sich Ionenätzen, Blektronenstrahlheizen und Bedampfen wiederholt und in beliebiger Reihenfolge durchführen.

  Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung,

  in welcher der als Tisch ausgebildeten Katäde benachbart

  eine Elektronenquelle (Hilfskatode) angeordnet ist und ge-

  genüber der Oberfläche des Tisches die Anode, weiche mit

  einer Öffnung für den Durchlaß der Strahlen einer VerdaMpi`ungs-

  quelle versehen und im übrigen so groß gehalten ist, d aß

  sie der Gesamtheit der von der Hilfskatode emittierten

  Elektronen ausgesetzt ist, sowie da8 Maßnahmen vorgesehen

  sind zur Umpolung der Katode und der nach der Umpolio eia

  Elektronenreflektor wirkenden Anode.-Eine solche Vox@rioh-

  tung kann in jede beliebige Vakuumeinrichtung eingebaut

  Werden.

  Ein besondere gleichmäßiger Besohuß des Körpers durch Ionen bzw: Elektronen ergibt sich, wenn symmetrisch zum Tisch und in gleicher Ebene mehrere Hilfskatoden angeordnet wer- den: Zur Vermeidung von 7'iärmestrahlungsverlusten, Verlusten an vagabundierenden Elektronen und zum Schutz gegen Vergiftung durch Niederschlag des Materials der zu ätzenden Substanz sind bei den Hilfskatoden zweckmüßig auf gleiohza Potential wie diese liegende Abschirmungen vorzu- sehen. Es empfiehlt sich auch, über den Abschirmungen po- sitiv vorgespannte Gitter anzubringen, Teelohe dazu dienen, die Elektronen aus dem vorhandenen Baumladungsgebiet abzu- saugen. Im Falle den Ionenbesohusses ist der zu behandelnde Körper als Katode geschaltet, d.h, mit dem negativen Pol einer Hochspannungsquelle verbunden. Die aus den zweckmäßiger- weise als Glühkatoden ausgebildeten Hilfskatoden austre- tenden Elektronen werden ƒui die auf positivem Potential liegende Anode hin beschleunigt und erzeugen auf diesem Wege durch Stoßionisation positive Ionen eines Edelgases oder eines inerten Gases.-Die Ionen werden durch das Ka- todenpotential abgesaugt und zur Katode hin beschleunigt. Sie bewirken bei Ihrem Auftreffen auf der Oberfläche des Körpern die Abtragung von Substanz, d.h. sowohl von Ver- unreinigungsatomen wie auch arteigener Atome. Infolge der Anwendung der Hilfsentladung kann das Ionenätzen bei Drükken bis zu 10`4 Torr, gegebenenfalls bei noch niederen Drücken vorgenommen werden.. Die Wahl der Potentiale und des Gend2uokes und damit dis Menge der abgetragenen Substanz je Zeiteinheit sind bedingt durch die Natur der Substanz und die an dis Ätzung gestellten teohnisch-phyaikalieohen Anforderungen. Zur Wärmebehandlung des Körpers. z.B, zum Tempern, wird die Vorrichtung auf Blektronenbesohuß des Körpers ist Hochvakuum umgestellt. Das geschieht nach Schliessen des Nadelventils für den Gaszustrom durch Umpolen zweier Potentiale, indem. jetzt der zu behandelnde Körper mit dem positiven Pol der Hochspannungsduelle verbunden und die Anode auf negitives Potential gelegt wird, womit,sie jetzt die Funktion eines Elektronenreflektors übernimmt. uie aus den Hilfskatoden austretenden hlektronen werden durch den Reflektor von ihrer Bahn abgelenkt, in Richtung Auf den Körper beschleunigt und beim Aufprall auf diesem gebremst, wobei sie ihre Znergie in r'orm von b':ärme an ihn abgeben. Lia dem Körper auf diese-eise vermittelte lemperaturerhöhung lüßt sich durch die Beschleuniungsspannung bzw.
• die Elektronenstromdichte variieren. Der besondere Vorzug dieser Lethode, :,:a4,erial zu erhitzen, liegt - neben dem weitaus geringeren Aufwand an Üesamtenercie und Material gegenüber dem anderer Verfahren - in der Möglichkeit, höhere Temperaturen zu erzielen, Wegen der geringen därmekapazität schnell aufzuheizen und im unkritischen Uemperaturbereich zeitsparend abzukühlen. Lamit ergeten sich. auch -rakuumtƒchnische Vorteile. Soll die Oberfläche des Körpers einer EBedampfung ausgesetzt werden, so tritt - je nach Bedarf bei ein- oder iusgesohalteter Elektronenstoßbeheizung das '&örpers - die Bedampfungsquelle in T;tig;reit,welche durch die erwähnte Öffnung in der anode bzw. dem Reflektor die Oberfläche des Körpers be- dampft. Die Vorrichtung gestattet neben den erwähnten Behandlungen durch atzen, Eedampfen und Tempern auch eine definierte Dotierung der Oberfläche des Körpers durch den Beschuß mit dotierenden Ionen. Ebenso ist eine definierte Zrzeugung von Störstellen durch den 4ialprall beschleunigter Ionen und damit 'die Linderung der elektrischen Eigenschaften in den Oberflä- chenbereichen des gJrpers möglich. Infolge ihrer räumlich günstigen Verteilung lassen die hauptsächlichen `feile der Vorrichtung verschiedene Ausbildungen zu, welche geei.net sind, die Bedingungen, unter denen die einzelnen Verfährensgänge durchgeführt werden unter Kontrolle zu halten. So empfiehlt es sieh, den Tisch, auf zelchem der Körper aufliegt,.so zu gestalten, daß er über der Tischfläche übersteht, damit eine Abstäubung von t:aterial, aus dem der Tisch besteht, vermieden wird. Die Bedampfungsquelle kann mit auswechselbaren Masken versehen sein; es können auch mehrere, wahlweise zu betreibende Bedampfung:9.luellen vorgesehen @t@erden, um nacheinander verschiedene Jubstanzen aufzudampfen. Zur Messung der Temperatur des Körpers ist es zv*e--kmäßig, unmittelbar unter der Tischfläche ein gegen die :.:olekularstrah'en 3bgƒs-.hirmtes 'i:*hermoelement anzubringen:

  In der Zeichnung ist ein @:usfährun@sbeispiel der Vorrichtung

  schematisch dargestellt, und zwar zeit:

  1413. 1 die Torrichtung eingestellt auf Ionenbeschuß, rig. 2 eingestellt auf Erhitzung und Fig. _3 auf Bedampfung des Körpers. In der Darstellunder F ist-. 1 ist die Vorrichtung auf Ionenbeschuß eingestellt. Der zu ätzende Körper 1 liegt -frei auf einem-aus dünnem Blech eines hochschmelzenden Metalles, z. B. Tantal, bestehendem Tisch c auf, dessen-Auflagefläche kleiner gehalten ist als die husmaße des Körpers 1. Zu beiden Seiten des Tisches befinden sich als Elektronenquellen dienende, zweckmäßig als Glühkatoden aus_ebildete Eilfskatoden 3. Es können auch noch weitere Hilfskatoden um den Körper l herum angeordnet sein. Zur Verringerung der lärmestrahlung und zum-Schutz des Körpers 1 vor etwa von den Hilfskatoden abdampfenden Verunreinigungen sind die Hilf skatoden 3 mit geerdeten abschrirmungen 4 versehen, Welche als nach der Anode 6 zu offene Kästen ausgebildet sind. Oberhalb der Hilfskatoden 3, also zwischen den Abechlrmungen 4 und der Anode 6, befinden sich in bezug auf die Hilfskatoden 3 positiv vorgespannte Gitter 5, welche zum Absaugen der Elektronen aus dem Raumladungege biet dienen. Durch die Abschirmungen 4 und die Gitter 5 werden die Hilfskatoden 3 vor einfallenden Ionen geschützt. Die be- reits erwähnte hnode 6, auf positivem Potential liegend, ist flächenhaft gestaltet und so groß gehalten, daß sie der Elektronenstrahlung aller Hilfskatoden 3 ausgesetzt ist. Die hier beschriebene Vorrichtung befindet sich in einem nicht dargestellten Rezipienten, welcher mit einem Anschluß an eine Vakuumpumpe und mit einem Nadelventil zum Einleiten von Gasen versehen ist. Zur Durchführung einer Ionenätzung ist der Körper 1 über den Tisch 2 mit dem negativen Pol einer Hochspannungsquelle verbunden, und somit als Katode geschaltet, während die bnode 6 ein positives Potential gegenüber den Glühkatoden 3 besitzt. In den evakuierten Rezipienten Wird ein inertes Gas oder ein Edelgas eingelassen. Lie auf dem Wege von den Eilfskatoden 3 zur Anode 6 hin beschleunigten Xlektronen 7, kenntlich gemacht durch gestrichelte Pfeile, erzeugen durch Stoßionisation positive Ionen 8, welche auf die Katode hin abgesaugt Werden und auf dem Körper 1 durch Impulsübertra.#-gung die Ätzwirkung hervorrufen. Während dieses Vorganges beträgt der Restgasdruck im Rezipienten je nach Wahl zwischen 1072 und 1O-4 Torr oder weniger. Nach Beendigung des ützens wird das Nadelventil geschlossen und Hochvakuum bzw. Ultrahochvakuum in dem Rezipienten er- zeugt. Das Material kann jetzt einer Tempertmg dureh Blektronenbeschuß unterworfen werden. Dazu ist es lediglich@not-Wendig, die Anschlüsse der Katode,.also des Tisch4i C# äns der bisherigen Anode 6 umzupolen. Der Körper 1 liegt dann,. wie in Fig. 2 dargestellt, :auf positivem Potential und fungiert jetzt als Anode, während die bisherige unode 6 gem* Fig. 1 jetzt ein negatives Potential besitzt und damit die Wirkung eines Blektronenreflektors 9 übernimmt. Die Funktionen der fiilfskatoden 3, der bbachirmungen 4 und der Git-ter 5 bleiben erhalten. Der Vorgang der Temperung den Körpern 1 spielt sich folgendermaßen ab: Die Elektronen ? werden von den.Gittern 5 aus dem Raumladungsgebiet abgesaugt, dann von ihrem zunächst geradlinigen Weg zum Blektronenreflektor 9 hin von diesem abgelenkt und unter gleichzeitigem Einfluß des Anodenpoten- tials auf den Körper 1 hingesteuert, um schließlich auf die- sem mit der Energie aufzutreffen, welche ihnen mit Hilfe des regelbaren Potentials vorgegeben Wird. Beim Auftraf-Ofen auf dem Körper 1 werden die Elektronen 1 abgebremst. Ihre Energie wird in Wärme umgesetzt. Die gewünschte Tem- peratur des Körpers 1 wird durch Wahl des Anodenpotentials und der Blektronenstromdichte erreicht. Letztere läßt sich mit der Gitterspannung variieren, Der Elektronenreflektor 9 sorgt für die homogene üuftreffdichteverteilung der Elek- tronen l auf dem Körper 1 und dämit für eine homogene Tem- peraturverteilung. Zur Kontrolle der Temperatur den Körpers 1 ist in dem Hohl- körper des Tisches 2 die Maßstelle eines Thermoelementes 10 vorgesehen, welches mixt auf Anodenpotential liegt. Die TeE-peraturerhöhung des Körpers 1 läßt sich mit Hilfe des Thermoel®mente® 10 über die Gitter 5 elektronisch steuern und auf einem gewünschten Wert halten. Die Vorrichtung wird vervollständigt durch die in Fig. 3 dar-- gestellte Einrichtung zum Bedampfen des Körpers - gegebenen-.falls unter gleichzeitigem Hufzen mittels $lektronenbsschuB gem. Fig. 2 - . Der Körper verbleibt dazu weiterhin in der- selben Lage, in der er sich bereits bei der. Behandlungen nach Fig. 1 und 2 befand. Die Änode 6 gem. Fig. 1, welche in Fig. 2 die Funktion eines Elektronenreflektors g übernommen hatte, weist über dem Körper 1 eine Öffnung 11 auf, hinter der unter Zwischenschaltung einer ausschwenkbaren Blende 12, welche in Fig. 1 und 2 in geschlossener Stellung dargestellt. war, und einer Profilblende 13 eine Verdampfungsquelle 14 angeordnet ist, deren Dampfstrahlen 15 durch die Profilblen- de 13 hindurch definierte Bereiche der Oberfläche des Kör- pers 1 bedampfen. Die Benutzung der Vorrichtung soll an einem Beispiel der Herstellung von p-n-Ubergängen für Halbleiteranordnungen erläutert werden. Zunächst wird die Oberfläche eines auf dem Tisch liegenden Substrates ionengeätzt. anschließend wird das Substrat zum Zwecke der Regenerierung evtl. durch den Stoßeffekt ent- standener Gitterstörungen durch Elektronenbombardement getempert. Das nachfolgende aufdampfen der dotierenden Sub- stanz vollzieht sich wegen der hohen Oberflächenreinheit durch das Ionenätzen ohne Benetzungsschwierigkeiten. Beim Einlegieren der aufgedampften Schicht durch Elektronenheizen lgßt sich jedes gewünsche Temperaturprogranm durch die Wahl des r Anodenpotentials und die Variation der Gitterspannung ein- halten. Ein anlegieren kann, wie schon gesagt, bereits wäh- rend des Bedampfungsvorganges durch erhöhte Temperatur des Substrates erzielt werden. Die bereits erwähnte Anordnung mehrerer verdampfungsque llen und Profilblenden erweitert die bnwendungsmöglichkeit der Vorrichtung zur Herstellung von beliebig vielen Schichten glei- chen oder entgegengesetzten Leitungstypes in Form von Zpitazieschichten oder p-n-Übergängen, Wie sie beispielsweise bei Epitaxie-j"esa-Transistoren vorliegen. 1..it der Torrichtung lassen sich auch Sperrschichten :iuf dem wiege der Diffusion herstellen, wozu in dem Rezipienten eine besondere Heizquelle für.den Diffusanten unterzubringen wäre. Gegebenenfalls ist es vorteilhaft, dis Verdempfungsque llen in bekannter Meise mit einer gesonderten Elektronenheizung auszurüsten, Die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens liegen insbesondere auf den Gebieten der Iiolekularelektronik, der Dünnschiohttechnik und der Planartechnik. Es eignet sich auch für Absorptionsuntersuchungen, für die Ermittlung elektrischer Kenndaten und für elektromikroskopische Präparation, darüber hinaus zum Ätzen von Legierungen, für Gefügeuntersuchun-gen. z.B. Korngrenzenätzungen in der Metallographie, zur Untersuchung von Gefügeumwandlungen beim Glühen und von AussaheidungsvorgUngen in ä dehrstoflsystemen, zur Sichtbarmachung von Strukturdefekten in der Kristallographie u.a.m.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Behandlung von elektrisch leitendem Material, insbesondere Halbleitermateriel, unter An- wendung von Molekularstrahlen, d a d u roh g ek e n n z e i c h n e t, daB der während eines Ionen- beschusses, insbesondere einer Ionenätzung, auf Katodenpotential liegende Zu behandelnde Körper zum Zwecke einer Wärmebehandlung in demselben Vakuum durch ein Elektronenbombardement, in Verbindung mit oder unabhängig von einer Bedampfung, mit dem posi- tiven Pol einer Hochspannungsquelle verbunden wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-spruch 1, bestehend aus in einem evakuierbaren und mit einem verschließbaren Gasanschluß versehenen Rezipien- ten einander gegenüberstehend angeordneter Anode und Katode, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß der als Tisch (2) ausgebildeten Katode benachbart eine Hilfskatode (3) angeordnet ist und gegenüber der Oberfläche des Tisches (2) die Anode (6), welche mit einer Öffnung (11) für den Durchlaß der Dampfstrahlen einer Verdampfungsquelle (Lq.) versehen und im übrigen groß gehalten ist, daß sie der Gesamtheit der von der Hilfskatode (3) emittierten Elektronen (7) ausgesetzt ist, sowie da9 Maßnahmen vorgesehen sind zur Uatpolang der Katode und der nach der Umpolung als Sl4ktronenreflektor (9) wirkenden Anode (6). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n nz e i o h n e t, daB symmetrisch zum Tisch (2) und in gleicher Ebene mehrere Hilfskatoden (3) angeordnet sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u roh g ek e n n z e i o h n e t, daß die Hilfskatoden (3) mit insbesondere gegen den Körper (1) wirksamen Ab- schirmungen (4) versehen sind, welche mit den Hilfskatoden (3) auf gleichem Potential liegen. 5. Vorrichtung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i o h n e t durch aber den #bachiroungen (4) der Hilfskatoden (3) angeordnete, positiv vorgespannte und als Seugelektroden wirkende Gitter (5). 6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, d a d u roh g ek e n n z e i o h n e t, daß an der Unterseite den Tischen (2) ein gegen Kolekularstrahlen abgeschirmtes Thermoelement (10) angeordnet ist.