DE2628366A1

DE2628366A1 - Verfahren zur herstellung duenner einkristallschichten

Info

Publication number: DE2628366A1
Application number: DE19762628366
Authority: DE
Inventors: Toshinori Takagi
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-01-13
Also published as: DE2628366C3; JPS523583A; DE2628366B2; US4227961A; JPS554719B2

Description

PATENTANWÄLTE

KLAUS D. KIRSCHNER DR. WOLFGANG DOST

DIPL.-PHYSIKER DIPL.-CHEMIKER

D-8OOO MÜNCHEN 2

BAVARIARINQ 38

Unser Zeichen: Our reference: K

Datum: 24.JUNMS7-.)

DElTSHI KOGYO KABUSHIKI KAISHA Mobara-shi, Japan

Verfahren zur Herstellung dünner Einkristallsohichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Einkristallschicht, bei dem das Schichtmaterial aufgeheizt und verdampft und auf einer Substratoberfläche abgeschieden wird.

Es ist allgemein sehr schwierig, Kristalle der verschiedensten Substanzen auf Substraten zu ziehen, die auf einer verhältnismäßig tiefen Temperatur gehalten werden. Daher bereitet es Schwierigkeit, dünne Einkristallschichten durch die herkömmlichen Verfahren der Abscheidung aus der Dampfphase oder der Aufdampfung im Vakuum^oder des Sputterns zu erzeugen. Besonders schwierig ist es im Pail von halbleitenden Elementen, beispielsweise Silizium (Si).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten der herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von dünnen Einkristallschichten zu überwinden und ein neues Verfahren anzugeben, um dünne Einkristallschichten mit einer hohen Qualität, insbesondere mit fehlerfreier Kristallstruktur und ohne Fehlstellen aufgrund von Verunreinigungen, herstellen zu können,

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem beigefügten Anspruch gekennzeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine kristalline Schicht mit ausgezeichneten Eigenschaften auf dem Substrat dadurch erzeugt, daß der Selbstaufheisungseffekt in der abgeschiedenen Schicht selbst und der Wanderungseffekt der Atome in der dünnen Schicht ausgenutzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Das Substrat kann aus einer großen Vielzahl verschiedener Materialien bestehen, und es können auch die verschiedensten Schichtmaterialien zur Herstellung der dünnen Schicht verwendet werden. Das Verfahren eignet sich nicht nur für die Herstellung von- Schichten aus halbleitenden Elementen sondern auch aus Verbindungen von halbleitenden Elementen. So können beispielsweise Einkristallschichten mit einem pn-übergang oder verschiedene andere dünne Schichten mit mehreren Lagen erzeugt werden. Ferner können die dünnen Einkristallschichten, die auf dem Substrat hergestellt worden sind, leicht von diesem getrennt werden, ohne daß eine Änderung in der Kristallstruktur stattfindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dünnen Einkristalls chichten schließt folgende Schritte ein: Ein Schichtmaterial wird in einem im wesentlichen geschlossenen Tiegel aufgeheist und verdampft, der Daapf wird in einen Hochvakuumbereich eingesprüht, wobei Agglomerationen oder Klaster aus Atomen des Dampfes gebildet werden, die Agglomerationen werden ionisiert, indem sie durch Elektronen beschossen werden, um ionisierte Agglomerationen zu bilden, die ionisierten Agglomerationen werden auf eine Spaltebene eines Substratmaterials zu beschleunigt, um darauf eine dünne Einkristalisch, iciit abzuscheiden, die entsprechend der Kristallachse des Substratmaterials orientiert ist, und die Einkristallschicht wird abgelöst, indem das Substratmaterial in einem Lösungsmittel gelöst wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

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Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine .\uf dampf einrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dünnen Einkristallschichten durchzuführen; und

Figuren 2 Ms 5 Beispiele von Elektronenmikroskopaufnahmen und Elektronenbeugungsmustern von dünnen Einkristallschichten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.

Die Beschreibung erfolgt anhand eines Beispiels, bei dem eine epitaxiale Schicht aus Silizium auf einer Spaltebene von wasserlöslichem, spaltbarem Steinsalz gezogen oder wachsen gelassen wird.

In Figur 1 ist ein geschlossener Tiegel 1 dargestellt, der wenigstens eine Injektionsdüse 2 aufweist. Der Tiegel 1 enthält das Schichtmaterial 3, aus dem die Einkristallschicht gebildet v/erden soll. Der Tiegel wird durch ein geeignetes Heizverfahren, beispielsweise durch Widerstandsheizung oder Elektronenb'eschußheizung (wie in Figur 1 gezeigt ist) auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, so daß das Schichtmaterial 3 verdampft wird und einen Dampf 4 bildet. Auf diese Weise kann

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ein Dampf mit einem Dampfdruck von etwa 10 Torr bis zu einigen Torr erhalten werden. Der auf diese Weine erzeugte Dampf 4 wird durch die Düse 2 in einen Vakuumbereich 5 abgesprüht, dessen Vakuum auf 1/1OO des Dampfdruckes in dem Tiegel 1 oder auf einem geringeren Druck, wenigstens jedoch bei etwa 10 Torr oder weniger,, gehalten wird, wobei die Atome in dem Dampf 4- unter dem Einfluß der Unterkühlung, die durch die adiabatische Expansion bewirkt wird, zu Agglomerationen 6 kondensieren. Jedes der Agglomerate 6 besteht im allgemeinen aus 100 bis 2000 Atomen. Wenn eines der Atome in dem Agglomerat 6 ionisiert wird, wird ein sog. ionisiertes Agglomerat erzeugt. Folglich ist ein Draht 8 als anionische Quelle vorgesehen, um Elektronen 9 auszusenden, die mit den neutralen Agglomeraten 6 zusammenstoßen, um ionisierte Agglomerate 7 zu bilden, die zusammen mit den neutralen Agglomeraten 6 in Richtung auf ein Substrat 10 bewegt werden, während sie durch die Wirkung eines elektrischen Feldes beschleunigt werden. Das elektrische Feld wird durch Beschleunigungselek-

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troden erzeugt, die an und/oder nahe bei dem Substrat 11 angeordnet und mit einer Beschleunigungsspannungsquelle 11 verbunden sind. Auf diese Weise treffen die Agglomerate auf das Substrat 10 auf und werden in Form einer Schicht darauf abgeschieden.

Das Substrat 10 besteht vorzugsweise aus einer Substanz, deren Spaltebene leicht gespalten werden kann und das leicht in Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gelöst werden kann. Im allgemeinen ist Steinsalz für diesen Zweck geeignet. Steinsalz ist besonders geeignet, um darauf Siliziumeinkristalle zu ziehen, da der Gitterfehlbetrag zwischen Steinsalz und Silizium, d.h. die Differenz zwischen der G-itterkonstanten von Steinsalz und Silizium, nur 3 Prozent beträgt.

Wenn die ionisierten Agglomerate 7 mit dem Substrat 10 kollidieren, wird der größte Teil ihrer kinetischen Energie in thermische Energie umgesetzt, die auf das Substrat 10 und die darauf abgeschiedene Oberflächenschicht übertragen wird. Gleichzeitig zerfällt jede der ionisierten Agglomerationen 7 selbst in einzelne Atome, die sich auf der abgeschiedenen Schicht bewegen, so daß das Wachstum des Einkristalls aufgrund des sog. Wanderungseffektes erleichtert wird. Dieser Wanderungseffekt ist auch im Falle von neutralen oder nicht-ionisierten Agglomeraten 6 zu erwarten. Der Wanderungseffekt, der bei der erhöhten Temperatur stattfindet, die durch die thermische Energie erzeugt wird, die*aus. der kinetischen Energie der Agglomerate stammt und die auf die abgeschiedene Schicht auf dem Substrat 10 übertragen wird, bewirkt ein Wachstum der Einkristallschicht, bei dem die Kristallachse der Schicht durch die Kristallachse des Substrates 10 orientiert wird (epitaxiales Wachstum). Beispielsweise wird eine Siliziumeinkristallschicht in der Richtung der (100)-Ebene auf der (lOO)-Ebene des Steinsalzes gebildet. Auf diese Weise wird eine Einkristallschicht 12 durch epitaxiales Wachstum auf der Spaltebene des Substrates 10 durch die ionisierten Agglomerate 7 und die neutralen Agglomerate 6 gebildet, die auf das Substrat 10 aufgetroffen sind.

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Nachdem die Einkristallschicht die gewünschte Dicke erreicht hat, wird das Substrat 10 mit der Einkristallschicht 12 in Wasser eingetaucht. Dabei wird das Substrat 10 in Wasser gelöst, so daß die Einkristallschicht 12 davon getrennt werden kann.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen Elektronenmikroskopaufnahmen und Elektronenbeugungsmuster von dünnen Silizium-Einkristallschichten, die auf der Spaltebene von Steinsalz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind. Bei diesen Beispielen wurde die Beschleunigungsspannung für die ionisierten Agglomerate auf 3 kV und die Temperatur des Substrates aus Steinsalz auf 300 OC bei dem Beispiel, das in den Figuren 2 und 4 gezeigt ist, und auf 500 ⁰G bei dem Beispiel, das in den Figuren 3 und 5 gezeigt ist, eingestellt. Die Figuren 2 und 3 zeigen die Elektronenmikroskopaufnahmen und die Figuren 4 und 5 die Elektronenbeugungsmuster der beiden Beispiele.

Aus den Figuren 2 bis 5 ist ersichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne Schwierigkeiten ausgezeichnete Einkristallschichten hergestellt werden können. Besonders das in den Figuren 3 und 5 gezeigte Beispiel zeigt eine Einkristallschicht mit ausgezeichneter Qualität. Ferner können die Aufdampfbedingungen, beispielsweise die Substrattemperatur und die Beschleunigungsspannung für die ionisierten Agglomerate je nach der Art des Materials, das als Einkristallschicht abgeschieden werden soll, geeignet ausgewählt werden, um leicht Einkristallschichten mit ausgezeichneter Qualität herzustellen.

B_ei dem erfindungsgemäßen Verfahren können geeignete Materialien, beispielsweise Natriumbromid, außer dem Steinsalz für das Substrat verwendet werden. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden, um Einkristallschichten aus verschiedensten Substanzen, beispielsweise aus anderen halbleitenden Elementen als Silizium und aus Verbindungen von halbleitenden Elementen, herzustellen.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das

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erfindungsgemäße Verfahren ein neues und vorteilhaftes Verfahren ist, das die Schritte aufweist, daß ionisierte Agglomerate aus dem Material gebildet werden, das die Einkristallschicht bilden soll, und daß die ionisierten Agglomerate beschleunigt werden, um sie auf ein Substrat auftreffen zu lassen, wobei die zu bildende Einkristallschicht darauf abgeschieden wird. Daher hat das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Aspekte und Vorteile:

(1) Die Oberfläche eines Substrats, auf dem eine Einkristallschicht abgeschieden und aufgebaut werden soll, kann jederzeit sauber gehalten werden, weil die ionisierten Agglomerate selbst während der Abscheidung eine Sputter-Reinigungswirkung haben. Daher werden Einkristallschichten mit hoher Qualität erzeugt, die nahezu keine Fehler aufgrund von Verunreinigungen haben.

(2) Da die ionisierten Agglomerate mit einer genügend hohen" Energie beschleunigt werden, die von einem an sie angelegten elektrische^ Hochspannungsfeld erzeugt wird, wird die Energie zum Teil in Wärmeenergie umgesetzt, wenn die ionisierten Agglomerate auf das Substrat auftreffen. Diese Wärmeenergie bewirkt eine lokale Temperaturanhebung, so daß das Kristallwachstum des abgeschiedenen Materials glatt von statten geht. Auf diese Weise ist es nicht notwendigerweise erforderlich, daß das Substrat selbst aufgeheizt wird. Das glatte Wachstum einer Einkristallschicht mit hoher Qualität kann durch den Selbstaufheizungseffekt der abgeschiedenen Schicht selbst von statten gehen. Durch die kombinierte Anwendung einer geeigneten Anhebung der kinetischen Energie der ionisierten Agglomerate und einer geeigneten, externen Heizung des Substrates wird eine Vergrößerung in den Einkristallbereichen erzielt, so daß das Wachstum einer Einkristallschicht erleichtert wird.

(3) Da die ionisierten Agglomerate ein kleines« Verhältnis von Ladung zu Masse (e/m) haben, kann die Einkristailschicht leicht auf einem isolierenden Substrat wachsen. Daher kann das Substrat, welches die Kristallachse der darauf abgeschiedenen, dünnen Schicht orientiert, aus einer großen Vielzahl

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von Materialien, einschließlich Steinsalz, "bestehen.

(4) Durch geeignete Auswahl eines Substratmaterials, das eine sehr ähnliche Gitterkonstante wie das Schichtmaterial, das abgeschieden werden soll, hat, kann die Erfindung nicht nur bei halbleitenden Elementen sondern auch bei Verbindungen aus halbleitenden Elementen angewendet werden.

(5) Die auf dem Substrat abgeschiedene Einkristallschicht kann leicht von dem Substrat dadurch getrennt werden, daß man V/asser oder ein anderes Lösungsmittel verwendet, wobei die Kristallstruktur der Schicht nicht geändert wird.

(6) Durch Wiederholung des oben beschriebenen Abscheidungs-

verfahrens können Einkristallschichten mit einem pn-übergang oder andere mehrlagige Einkristallschichten erzeugt werden.

Pat entanspruch

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Claims

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Patentanspruch

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Einkristallschicht, bei dem das Schichtmaterial aufgeheizt und verdampft und auf einer Substratoberflache abgeschieden wird, dadurch gekennze ichnet, daß das Schichtmaterial in einem geschlossenen Tiegel mit wenigstens einer Injektionsdüse zur Bildung von Dampf aus dem Schichtmaterial aufgeheizt wird, daß der Dampf in einen Vakuumbereich eingesprüht wird, dessen Vakuum auf I/IOO oder weniger des Dampfdruckes in dem Tiegel, wenigstens jedoch bei 10 Torr oder weniger, gehalten wird, um Agglomerationen aus den in dem Dampf enthaltenen Atomen zu bilden, daß die Agglomeration durch Beschluß mit Elektronen ionisiert wird, um ionisierte Agglomerationen.zu bilden, daß die ionisierten Agglomerationen beschleunigt werden, so daß sie auf eine Spaltebene eines Substratmaterials aufschlagen, welches in einem Lösungsmittel leicht lösbar ist, so daß eine dünne Einkristallschicht auf dem Substratmaterial abgeschieden wird, die entsprechend der Kristallachse des Substratmaterials orientiert ist, und daß die Einkristallschicht durch Lösen des Substratmaterials in einem Lösungsmittel von dem Substrat getrennt wird.

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