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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen
Schicht (im folgenden "monokristalline
Materialschicht")
aus einem leitenden oder halbleitenden Material (im folgenden "Material"), bei dem die Schicht
auf einer monokristallinen porösen
Schicht (im folgenden "poröse Materialschicht") aus dem genannten
Material erzeugt wird. Ein solches Verfahren läßt sich beispielsweise, wenn das
Material Silicium ist, dazu verwenden, SOI (silicon on insulator)-Wafer
herstellen, welche vorteilhaft in der Halbleiterelektronik und der
Silicium-Mikromechanik eingesetzt werden.
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Bei
einem gängigen
Verfahren zum Herstellen von SOI-Wafern werden zwei Wafer aus monokristallinem
Silicium mit mindestens einer oxidierten Oberfläche mit den Siliciumdioxidoberflächen thermisch
miteinander verbunden und anschließend wird der eine Wafer rückgedünnt.
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In
dem US-Patent 5,466,631 ist ein weiteres Verfahren beschrieben,
um eine SOI-Struktur herzustellen, bei dem auf ein poröses, monokristallines Halbleitersubstrat
in einem Schritt, beispielsweise mittels "bias sputtering" bei 380°C eine dünne, nicht poröse, monokristalline
Halbleiterepitaxieschicht aufgebracht wird, und als St.d.T. ist
angegeben, auf einem nichtporösen,
monokristallinen Si-Substrat eine SiO2-Schicht aufzubringen,
in das Oxid eine Öffnung zum
Substrat zu ätzen,
eine amorphe Si-Schicht zu erzeugen und diese durch laterales von
der Öffnung ausgehendes
Wachsen in eine monokristalline Schicht umzuwandeln. Ein verwandtes
Verfahren ist in dem US-Patent
5,374,581 beschrieben. Bei diesem wird auf die dünne monokristalline Schicht,
beispielsweise mittels des üblichen
CVD-Verfarens bei 1080°C
zusätzlich
eine dickere Halbleiterepitaxieschicht hoher Qualität aufgebracht.
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Beim
sog. SIMOX ("separation
by implanted oxygen")-Verfahren
werden Sauerstoffionen in einen monokristallinen Siliciumwafer implantiert,
die nach der Aktivierung mit Silicium eine Siliciumdioxidschicht
bilden, welche den Wafer von einer dünnen Siliciumschicht trennt.
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Es
ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem auf einer oberflächlich anoxidierten
porösen
monokristallinen Siliciumschicht nach einem Rückätzen Silicium epitaktisch aufgebracht
wird.
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Bei
einem weiteren Verfahren wird Silicium epitaktisch auf einer porösen monokristallinen
Siliciumschicht abgeschieden und anschließend wird das poröse Silicium
oxidiert.
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Gemeinsam
sind diesen Verfahren die hohen Herstellkosten, die durch hohen
Materialverbrauch bzw. durch sehr teure Prozeßschritte, beispielsweise bei
der Herstellung dicker Epitaxieschichten, verursacht werden, und
die nicht voll befriedigende Qualität.
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Darüber hinaus
ist in dem US-Patent 3,655,439 ein Verfahren beschrieben, bei dem
auf (100)- oder (211)-Oberflächen
eines monokristallinen Si-Substrats eine isolierende amorphe Schicht
aus einem Al-Mg-Spinell aufgebracht und diese durch Tempern in eine
monokristalline Schicht umgewandelt wird. Auf diese wird dann in
einem Schritt eine monokristalline Schicht (z.B. aus Si) aufgebracht.
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Außerdem lehrt
das US Patent 4,500,388, eine isolierende Struktur (z.B. aus SiO2) auf einem monokristallinen Halbleiter-Substrat eines kubischen Systems
zu erzeugen, wobei die Struktur lange Seiten ("sides") aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu
den <100>- oder <211>-Achsen sind. Auf die
dann vorliegende Struktur wird eine amorphe Halbleiterschicht aufgebracht
und diese durch Tempern mittels Festphasen-Epitaxie in eine monokristalline
Schicht (Monokristallinität:
80 bis 85%) umgewandelt. Bei Abweichung von der senkrechten Ausrichtung
um mehr als 6° nimmt
die Monokristallinität
der getemperten Schicht beachtlich ab.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren anzugeben, um monokristalline Materialschichten hoher
Qualität
auf porösen
monokristallinen Schichten aus demselben Material reproduzierbar
herzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß das
leitende oder halbleitende Material in amorpher Form auf der freiliegenden
Oberfläche
der porösen
monokristallinen Schicht oder auf der Oberfläche der porösen monokristallinen Schicht
aufgebracht wird, nachdem diese anoxidiert und dann soweit rückgedünnt worden
ist, daß das
poröse
Material bereichsweise wieder freiliegt, und daß die amorphe Schicht durch Tempern
in die monokristalline Form überführt wird. Die
Erzeugung der monokristallinen Materialschicht in zwei Schritten
auf dem Umweg über
die amorphe Materialschicht ist wesentlich weniger aufwendig und verbraucht
wesentlich weniger Energie als wenn die monokristalline Materialschicht
in einem Schritt, beispielsweise mittels Epitaxie, erzeugt wird.
Es ist überraschend,
daß die
von der porösen
Materialschicht zur Verfügung
gestellten Wachstumskeime, deren Ausdehnung gegebenenfalls (s.u.)
noch durch mit Oxid maskierte Oberflächenbereiche vermindert ist, ausreichen,
um die vollständige
Umwandlung des amorphen Materials in monokri stallines sicherzustellen.
Die Porosität
der porösen
Materialschicht ist in einem späteren
Verfahrensschritt notwendig, um ihre selektive Entfernung bzw. ihre
selektive Umwandlung in Oxid in Gegenwart der monokristallinen Materialschicht
und gegebenenfalls eines Wafers aus dem Material zu ermöglichen.
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Es
ist günstig,
das Material aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Siliciumcarbid
und Galliumarsenid auszuwählen.
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Besteht
das Material aus Silicium, wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen
etwa 600 und etwa 800°C
getempert. Innerhalb dieses Temperaturbereichs ist eine vollständige Umwandlung
des amorphen in monokristallines Silicium innerhalb von etwa 15
bis etwa 24 Stunden sichergestellt.
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Besteht
die poröse
Materialschicht aus Silicium, ist es vorteilhaft, wenn trocken oder
naß bei
etwa 400 bis etwa 800°C
anoxidiert wird. Rückgedünnt wird
vorteilhaft mittels Anlösens
mit einem das gebildete Oxid lösenden
Lösungsmittel,
Rücksputterns, Rückschleifens,
Plasmaätzens
oder HCl-Gas im Temperrohr. Mit den angewandten Verfahren läßt sich
das Aufwachsen der Oxidschicht gut steuern, und beim Rückdünnen wird
im wesentlichen die oxidierte poröse Materialschicht in Richtung
der Schichtnormalen abgetragen, so daß zunächst aus der Schichtebene herausragende
Erhebungen vom Oxid befreit werden und dann beim später erfolgenden
Tempern als Wachtumskeime bei der Umwandlung in monokristallines
Material dienen. Deshalb hat die beim Tempern entstehende monokristalline
Materialschicht nur an den genannten Erhebungen – aber nicht in den Poren – mit dem
porösen
Material Kontakt. Dies erleichtert das spätere Entfernen oder Umwandeln
des porösen
Oxids, und die Ebenheit der der porösen Materialschicht zugewandten
Oberfläche
der monokristallinen Materialschicht wird verbessert, ohne daß die Bildung
der monokristallinen Materialschicht erschwert wird.
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Es
ist günstig,
wenn die amorphe Materialschicht durch Sputtern einer aus dem Material
bestehenden Auftreffplatte oder durch LPCVD oder PECVD in einer
mindestens eine flüchtige
Verbindung des Materials enthaltenden Atmosphäre, beispielsweise in SiH4, Di- oder Trichlorsilan beim Aufbringen
von Silicium, aufgebracht wird. Diese Verfahren sind nicht sehr
aufwendig, werden gut beherrscht, und verwenden Geräte, welche
in der Halbleiterfertigung gängig
sind.
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Bei
einer vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur wird die monokristalline
Materialschicht mit einem Trägersubstrat
verbunden, und dann wird die poröse
Materialschicht weggelöst, wobei
auch die Verbindung zwischen der monokristallinen Materialschicht
und der – normalerweise
aus einem Wafer aus demselben Material bestehenden – Unterlage
gelöst
wird. Die poröse
Materialschicht unterscheidet sich aufgrund ihrer Struktur so stark
in ihrer Löslichkeit
von der des Wafers und der monokristallinen Materialschicht, das
diese beim Lösen
des porösen
Materials praktisch nicht angegriffen werden. Vielmehr behält die monokristalline
Materialschicht ihre ursprüngliche
Dicke und der Wafer kann wiederverwendet werden. Die monokristalline
Materialschicht weist hervorragende elektrische und mechanische
Eigenschaften auf, und ist deshalb für zahlreiche Anwendungen, wie,
wenn das Material halbleitend ist, für das Herstellen von hochwertiger Dünnschichtelektronik,
einsetzbar.
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Die
aus der poröse
Materialschicht, der sie bedeckenden monokristallinen Materialschicht
und einem von ihr bedeckter Wafer aus demselben Material bestehende
Struktur läßt sich
in vorteilhafter Weise, indem sie über eine festgelegte Zeit oxidierenden Bedingungen
ausgesetzt wird, zur Herstellung einer Struktur verwenden, welche – wie beispielsweise
ein SOI-Wafer – aus
dem Wafer, einer darauf aufgebrachten hauptsächlich aus oxidiertem porösem Material
bestehenden Isolierschicht und der monokristallinen Materialschicht
besteht. Damit die Oxidation des porösen Materials vollständig ist,
müßte man sehr
viel Zeit verwenden, weil ja der Sauerstoff von der Seite in die
poröse
Materialschicht eindiffundieren muß, welche im Verhältnis zu
ihrer Dicke einen sehr großen
Durchmesser hat. Um einen guten Isolator zu erhalten, ist es normalerweise
unkritisch, wenn noch vollständig
von Oxid umgebene Nadeln aus dem porösen Material vorhanden sind.
Die gilt insbesondere dann, wenn die Struktur nach der Oxidation einem
Reflow-Schritt unterworfen wird, um den Isolator zu verdichten.
Sollte die Oxidation des porösen Materials
doch vollständig
sein, ist es günstig,
die monokristalline Materialschicht vor dem Oxidieren mit einem
Muster durchgehender Öffnungen
zu versehen, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Öffnungen
möglichst
gleichmäßig über die
monokristalline Schicht zu verteilen, wobei man jedoch genügend Spielraum
hat, damit man wegen des Musters keine Schwierigkeiten bei der Verwendung – beispielsweise – des SOI-Wafers
in Kauf nehmen muß.
Bei der Oxidation der porösen
Materialschicht werden der Wafer und die monokristalline Materialschicht
nicht nennenswert oxidativ angegriffen. Wird nach der Oxidation
der erzeugte Isolator mittels Reflow zum Kollabieren gebracht, hat
die erzeugte Struktur nicht nur gute isolierende, sondern auch – die Minimierung
des Filmstresses vorausgesetzt – ausgezeichnete
mechanische und optische Eigenschaften. Der Filmstress ist minimal,
wenn das poröse
Material eine Porosität
von etwa 50 bis etwa 60% hat.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Unteransprüchen
offenbart.
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Im
folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
an Hand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es zeigen:
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1a bis 1c in
schematischen Querschnittsdarstellungen drei Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a und 2b in
schematischen Querschnittsdarstellungen zwei Stadien bei einer Weiterverarbeitung
der in 1c gezeigten Struktur und
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3 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung das Ergebnis einer weiteren
Weiterverarbeitung der in 1c gezeigten
Struktur.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben,
wobei das Material aus Silicium besteht. Es sei aber klargestellt, daß zwar das
erfindungsgemäße Verfahren
bei Verwendung von Silicium besondere Vorteile aufweist und die
dabei hergestellten Strukturen besonders vorteilhaft einsetzbar
sind, aber das erfindungsgemäße Verfahren
und seine Ausgestaltungen nicht auf die Verwendung von Silicium
und auf die Einhaltung der in den Beispielen angegebenen Verfahrensparameter,
wie der anzuwendenden Temperaturen, beschränkt sind, vielmehr im Rahmen
des durch die Ansprüche
definierten Schutzumfangs und des fachmännischen Handelns viele Abwandlungen
dieser Beispiele möglich
sind, und die aus anderen Materialien hergestellten Strukturen ebenfalls
sehr vorteilhaft einsetzbar sind.
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Es
sei angemerkt, daß außer in der
bei einem späteren
Verfahrensschritt aufgebrachten amorphen Siliciumschicht in der
folgenden Beschreibung das Silicium immer monokristallin ist. Diese
Eigenschaft wird deshalb nur erwähnt,
wenn es für
das Verständnis
erforderlich ist.
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In
der 1a ist ein Querschnitt durch eine Struktur gezeigt,
welche aus einem Siliciumwafer 1 und einer auf diesem aufliegenden
porösen
Siliciumschicht 2 besteht. Die Schicht 2 wurde
durch Anodisieren der einen Oberfläche des Wafers 1 erzeugt. Dabei
wurde diese Oberfläche
einer beispielsweise Flußsäure, Wasser
und Ethanol enthaltenden Mischung unter Anlegung einer Spannung
von wenigen Volt ausgesetzt, wobei ein Strom von < etwa 30mA/cm2 floß.
Die Erzeugung einer ungefähr
2 μm dicken
porösen
Siliciumschicht dauert etwa 1 bis etwa 3 Minuten. Die Struktur des
porösen
Siliciums ist derart, daß die
Stege zwischen den Poren etwa 2 bis etwa 10nm breit sind und der
mittlere Porendurchmesser ebenfalls bei etwa 2 bis etwa 10 nm liegt.
Die poröse
Siliciumschicht wird anoxidiert, indem sie bei Temperaturen zwischen
etwa 400 und etwa 800°C
einer trockenen oder nassen Oxidation unterworfen wird, die je nach
der angewandten Temperatur zwischen einigen Minuten und etwa einer
halben Stunde dauert.
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Im
nächsten
Verfahrenschritt wird das Oxid kurz durch Eintauchen in verdünnte Flußsäure oder verdünnte gepufferte
Flußsäure oder
mittels Rücksputtern
oder Rückschleifen
rückgedünnt, um
Bereiche des porösen
Siliciumgerüsts
freizulegen. Die Bereiche, die ja monokristallin sind, besitzen
untereinander eine Fernordnung. Auf das Anoxidieren und Rückdünnen kann
im Prinzip auch verzichtet werden, wenn im weiteren Verlauf des
Verfahrens die Schicht aus dem porösen Silicium aufgelöst wird.
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Auf
die poröse
Siliciumschicht 2 wird eine etwa 1 bis etwa 2 μm dicke amorphe
Siliciumschicht 3 durch Sputtern einer Auftreffplatte aus
Silicium oder durch LPCVD oder auch PECVD aus – beispielsweise – einer
SiH4-Dampfphase abgeschieden (s. 1b).
Die genannten Niederschlagsverfahren werden in der Halbleitertechnik
allgemein angewandt.
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Durch
Tempern bei Temperaturen < 800°C, bevorzugt
zwischen etwa 400 und etwa 800°C,
wird die Schicht 3 innerhalb von etwa 20 bis etwa 30 Minuten
in eine monokristalline Siliciumschicht 4 umgewandelt (s. 1c),
wobei die beim Rückdünnen freigelegten
Bereiche des porösen
Siliciums als Wachtumskeime wirken. Die nun vorliegende Struktur 5 läßt sich
beispielsweise zu einer auf Glas, Metall, Polymeren usw. aufgebrachte
Schicht aus monokristallinem Silicium, in die hochwertige Dünnschichtelek tronik
eingebracht werden kann, oder zu einer SOI-Struktur weiterverarbeiten.
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Zur
Herstellung der Dünnschichtelektronik beispielsweise
auf Glas wird, wie die 2a zeigt, die Struktur 5 mit
der freiliegenden Oberfläche
der Siliciumschicht auf eine Glasplatte 6 anodisch gebondet
oder geklebt, wobei als Klebstoff beispielsweise ein handelsüblicher
Klebstoff, ein Fotolack oder Pech verwendet wird. Daraufhin wird
die poröse
Siliciumschicht 2 aufgelöst und dadurch die Schicht 4 auch vom
Wafer 1 getrennt. Besteht die Schicht 2 ausschließlich aus
Silicium, eignen sich als Lösungsmittel – beispielsweise – Ammoniak
oder verdünnte
Kalilauge. Ist das poröse
Silicium oberflächlich
oxidiert, ist es vorteilhaft, zunächst durch kurzes Eintauchen in
verdünnte
Flußsäure das
Oxid zu entfernen und erst dann die Lösungsmittel für das Silicium
anzuwenden. Anschließend
wird in der Siliciumschicht 4 auf der Glasscheibe 6 die
Dünnschichtelektronik
erzeugt.
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Zur
Herstellung der SOI-Struktur wird wiederum ausgehend von der in
der 1c gezeigten Struktur 5 zunächst die
Schicht 4 in gewünschter Weise
mit einem Muster 7 von bis zum porösen Silicium durchgehenden Öffnungen
strukturiert und anschließend
wird das poröse
Silicium thermisch – wie oben
beschrieben – vollständig oxidiert.
Alternativ kann man auf das Muster verzichten und sich stattdessen
mit unvollständigen
Oxidation begnügen,
d.h mit einem Oxid, das noch Nadeln des porösen Siliciums enhält. Schließlich wird
die Struktur einer Wärmebehandlung
bei einer Temperatur zwischen etwa 1100 und etwa 1200°C unterworfen
(Reflow), bei der das erzeugte Siliciumdioxid unter Bildung der
Schicht 8 verdichtet wird. Die dann vorliegende Struktur
zeigt die 3.
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Die
Erfindung wird zur weiteren Erläuterung anhand
eines Beispiels noch detaillierter beschrieben.
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Ausgegangen
wurde von einem Wafer aus monokristallinem p-dotiertem Silicium.
Der Wafer wurde in einen elektrisch isolierenden Halter eingespannt.
Der Halter deckte die Waferrückseite
vollständig
ab. Eine in den Halter eingebaute Stiftelektrode kontaktierte die
Waferrückseite
elektrisch, während
die Wafervorderseite freilag. Der Halter wurde in eine 20%ige Lösung von
Flußsäure in einem
Wasser-Ethanol-Gemisch eingetaucht. In die Flüssigkeit tauchte außerdem eine
Elektrode, beispielsweise aus Platin, ein. Zwischen Elektrode und
Stiftelektrode (Anode) wurde eine Spannung von 4,5 V gelegt. Durch
die Lösung
floß dabei
eine Strom der Dichte 6,5 mA/cm2. Unter
diesen Bedingungen wurde das Silicium an der Waferoberseite in poröses Silicium umgewandelt.
Anodisiert wurde 10 Minuten lang. Dabei wurde eine im Mittel etwa
1,2 μm dicke
Schicht aus porösem
Silicium erzeugt. Elektronenmikroskopisch wurde festgestelt, daß die Siliciumstege
zwischen den Poren durchschnittlich eine Breite von etwa 7 nm hatten
und der mittlere Porendurchmesser in der Größenordnug von etwa 5 nm lag.
Nach der Anodisierung wurde der Wafer aus der Halterung herausgenommen,
abgespült,
getrocknet und dann einer nassen thermischen Oxidation unterworfen.
Oxidiert wurde bei einer Temperatur von 650 °C 16 Minuten lang. Dabei wurden
die freiliegenden Bereiche des porösen Siliciums oberflächlich oxidiert.
Anschließend
wurde die anoxidierte poröse
Siliciumschicht durch Sputtern soweit abgetragen, daß – wie mikroskopisch
festgestellt wurde – stellenweise
das poröse
Silicium wieder freilag. Auf die gedünnte Schicht wurde durch Sputtern
bei einem Druck von 2,5·10–4 bar,
einer Spannung von 500 V und einer Leistung von 500 W, oder in einer
SiH4 enthaltenden inerten Atmosphäre durch
Standard-LPCVD bzw. durch PECVD bei 400°C, einem Druck von 100·10–3 bar
und einer Leistung von 300 W innerhalb von – je nach angewandtem Verfahren – 30 bis
60 Minuten eine 1,5 μm
dicke amorphe Siliciumschicht aufgebracht. In einem Temperschritt
wurde bei 540°C
innerhalb von 24 Stunden das amorphe Silicium in eine monokristalline
Siliciumschicht umgewandelt.
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Um
die Siliciumschicht als aktive Schicht auf einem Glassubstrat bereitzustellen,
wurde sie mit ihrer freiliegenden Oberfläche auf eine Glascheibe geklebt.
Als Klebstoff wurde Pech verwendet. Daraufhin wurde zur Entfernung
des Oxids der Wafer kurz in gepufferte Flußsäure getaucht und dann die poröse Siliciumschicht
mit verdünnter
KOH aufgelöst
und damit auch der Wafer von der Siliciumschicht getrennt. Die freigelegte
Oberfläche
der Siliciumschicht war, wie Profilmessungen zeigten, von sehr guter
Qualität.
Durch 4-Punktmessungen konnte gezeigt werden, daß die Schicht hervorragende
elektrische Eigenschaften hatte. Außerdem war ihre mechanische Stabilität sehr gut.
Aufgrund dieser Eigenschaften war die Siliciumschicht als aktive
Schicht für
Dünnschichtelektronik
hervorragend geeignet.
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Das
beschriebene Verfahren ist prinzipiell – jedoch dem jeweiligen Material
entsprechend angepaßt – auf andere
leitende und nichtleitende Materialien, insbesondere auf Aluminium,
Siliciumcarbid und Galliumarsenid, übertragbar.