DE2454183A1 - Kristallzuchtverfahren fuer epitaxie - Google Patents

Description

• Kristallzuchtverfahren für Epitaxie Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Herstellung dünner, einkristalliner Schichten auf amorphen oder polykristallinen Substraten ermöglicht. Die Anwendungen liegen u. a. in der Epitaxie von Kristallen für Halbleiterbauelemente.
• In der Halbleitertechnik wird Epitaxie, die Zucht kristallographisch ausgerichteter Einkristalle auf einkristallinen Substraten weitgehend angewandt. Die größte Rolle spielt z. Zt.
• das acbstun von Siliziumschichten auf Silizi dçristallen anderer Dotierungen. Obwohl es sich hier nicht um zwei verschiedene Kristallsysteme handelt, wird trotzdem der Name Epitaxie gebraucht. Binde echte Epitaxie stellt das sogenannte SOS (Silicon on Sapphire) Verfahren dar. Hier wird Si auf einen isolierenden Substratkristall (Saphir oder auch Spinell) aufwachsen gelassen. Schichten dieser Art haben erhebliche Vorteile für Bauelemente, da durch das nichtleitende Substrat Streukapazitäten und Kriechströme vermieden werden. Ein Nachteil der Technik sind die hohen Kosten für die isolierenden Substratkristalle. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, das keine einkristallinen Substrate benötigt und daher erheblich billiger ist. Neben den oben genannten Anwendungen könnte das Verfahren auch zur Herstellung von billigen Solarzellen in großem Maßstab dienen und damit einen Beitrag zur Überwindung der Energiekrise leisten. Die Anwendungen können aber darüber hinaus auf praktisch allen Gebieten der Kristallzucht liegen.
• Die Erfindung besteht nun darin, daß auf dem Substrat vor der Kristallisation eine periodische, ebene Struktur mit der Symmetrie des zu kristallisierenden Systems aufgeprägt wird, und vorteilhafterweise kann die Gitterkonstante der periodischen Struktur ein ganzzahliges Vielfaches des Epitaxie-Kristalls sein.
• Die Wirkungsweise dieses Rasters läßt sich folgendermaßen verstehen: Zu Beginn der Epitaxie erfolgt die Bildung vieler Keime, die dann zu einer Schicht zusammenwachsen. Sind die Keime alle in ein und derselben Kristallrichtung ausgerichtet, dann entsteht eine einkristalline Schicht. Das läßt sich in bekannter Weise durch eine monokristalline Unterlage erreichen, wobei die Gitterkonstante vom Substrat und Epitaxiekristall in einer vom speziellen System abhängigen Weise einander angepaßt sein müssen Die Erfindung basiert auf zwei tatsachen: 1. Die Kristallkeime haben eine mittlere Größe von etwa 100 i bevor sie zusammernqachsen. Beim Zusammenwachsen können auch noch Umorientierungen ganzer Keime stattfinden. 2. Beim Aufwachsen auf einer nichtorientierten Unterlage genügen geringfügige Störungen bzw. Verunreinigungen des Substrats, um die Keimbildung auszulösen.
• Es ist aber nicht erforderlich, eine Substratorientierung in atomaren Dimensionen vorauszusetzen, sondern es genügen die Dimensionen der Keime vor dem Zusammenwachsen. Ein in dieser Dimension auf eine Unterlage aufgeprägtes Gitter kann aus Gitterschäden des Substrates, geometrischen Strukturen oder abgeschiedenen, kristllisationsf0rdernden Substanzen bestehen.
• Die Erfindung kann in folgender Weise realisiert werden: Ein amorphes oder sehr feinkristallines Substrat wird mit einem periodischen Raster in der vorgegebenen Dimension versehen.
• Eine spezielle Möglichkeit dazu bietet die Elektronenstrahltechnik. Damit lassen sich bekanntlich Dimensionen von weniger als 100 ß beherrschen. Durch Abrastern mit einem energiereichen Elektronenstrahl kann man lokal Substanz verdampfen und dadurch ein Gitter von Gräben erzeugen. Alternativ kann man durch chemische Reaktionen im Elektronenstrahl Substanzen aus der Dampfphase niederschlagen. Es ist bekannt, daß bei der Elektronenmikroskopie Kohleniederschläge durch Oracken von Kohlenwasserstoff entstehen. In beiden Fällen ist die Störung ausreichend zur Einleitung der Keimbildung.
• Eine weitere Möglichkeit zur Rastererzeugung besteht in der Ausnützung von Interferenzen. Durch Interferenz von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung oder Elektronenstrahlen lassen sich Raster in ein Substrat einprägen.
• Die kleinsten Dimensionen des Rasters lassen sich mit den in Patentanmeldung P ...... "Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen" angegebenen Verfahren realisieren. Bin Kristall mit ausgeprägter Kanal- oder Schichtstruktur wird als Maske in bezug auf einen Ionenstrahl verwendet. Anwendung eines Kanalkristalls, wie z. B. Beryll (Be3A12Si6018) ergibt eine hexagonale Matrix von Punkten mit einem Abstand von 9.2 A in der längeren Dimension. Mit Schichtkristallen kann man mit Hilfe von zwei aufeinanderfolgenden Implantationen ein Koordinatensystem mit einem beliebigen Neigungswinkel aufprägen.
• Anwendung der Ionenimplantation erlaubt entweder die Verwendung der durch Auftreffen der Ionen erzeugten Gitterschäden oder der implantierten Atome selbst als Keimzentren. Da die Wahl der zu implantierenden Ionensorten beliebig ist, kann man speziell ein Element benützen, das die Keimbildung des zu kristallisierenden Systems besonders anregt.
• Abb. 1 zeigt die Keimbildung bei einem quadratischen Gitter.
• Das'Gitter 1 induziert in einem z. B. kubischen Kristall Wachstum der Keime 2 in deriOORichtung.
• Abb. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung, wo ein Gitter 1 mit einem Winkel um 600 Kristallisation der Keime 2 inc11t=>induziert.
• Abb. 3 zeigt ein quadratisches Punktgitter 1, das für einen kubischen Kristall die Keime in1OOOrientierung ausrichtet.
• Das angegebene Verfahren ist für die meisten der gebräuchlichen Kristallzuchtverfahren anwendbar, Es kann für Zucht aus der Lösung, aus der Gasphase und für Vakuumaufdampfepitaxie verwendet werden0

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Kristallzuchtverfahren zur Epitaxie einer dünnen Schicht eines Kristallsystems auf einem amorphen oder polykristallinen Substrat, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß auf dem Substrat vor der Kristallisation eine periodische ebene Struktur mit der Symmetrie des zu kristallisierenden Systems aufgeprägt wird.
2. 2. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die periodische Struktur eine Gitterkonstante hat, die ein ganzzahliges Vielfaches des zu kristallisierenden Systems ist.
3. 3. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1 und 2, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die periodische Struktur durch Abrastern mit einem Elektronenstrahl erzeugt wird.
4. 4. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gek e n n z e i ohne t, daß die periodische Struktur durch Ionenimplantation unter Verwendung eines Kristalls mit Kanalstruktur als Maske erzeugt wird.
5. 5. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die periodische Struktur durch Ionenimplantation unter Verwendung eines Kristalls mit Schichtstruktur erzeugt wird.
6. 6. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß die Implantation zwei- oder mehrmals unter Rotation der Maske unter vorgegebenem Winkel wiederholt wird, um ein Liniengitter zu erzeugen.
7. 7. Kristallzuchtverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß Interferenzen von elektromagnetischen oder Elektronenstrahlen zur Erzeugung der periodischen Struktur benützt werden.