DE2628366C3

DE2628366C3 - Verfahren zur Herstellung dünner Einkristallschichten

Info

Publication number: DE2628366C3
Application number: DE2628366A
Authority: DE
Inventors: Toshinori Nagaokakyo Kyoto Takagi (Japan)
Original assignee: Futaba Denshi Kogyo Kk Mobara Chiba (japan)
Current assignee: Futaba Denshi Kogyo Kk Mobara Chiba (japan)
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS554719B2; JPS523583A; DE2628366A1; DE2628366B2; US4227961A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Einkristallschicht gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der Veröffentlichung J. of Appl. Phys. 37, No. 12 (1966), Seite 4586, 4587 ist ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Einkristallschicht bekannt, wobei man das Schichtmaterial in Vakuum verdampft, auf der (lOO)-Ebene eines Steinsalzkristalls niederschlägt und anschließend den Steinsalzkristall in Wasser löst. Bei diesem bekannten Verfahren bereitet es Schwierigkeiten, Kristalldünnschichten aus verschiedenen Substanzen auf dem Substrat zu ziehen, weil der Dampfdruck der einzelnen Substanzen oder Schichtmaterialien stark unterschiedlich ist. Die Abstimmung der Temperatur der Schichtmaterialien beim Verdampfen und der Temperatur des Substrates bereitet aus demselben Grund Schwierigkeiten. Daher können dünne Einkristallschichten durch die herkömmlichen Verfahren der Abscheidung aus der Dampfphase oder der Aufdampf ung im Vakuum oder des Sputterns kaum befriedigend erzeugt werden. Wie sich auch aus der obengenannten Veröffentlichung ergibt, sind diese Schwierigkeiten bei den halbleitenden Verbindungen vorhanden.

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 auf Grund von Verunreinigungen, herstellen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem Patentanspruch gekennzeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in dem Vakuumbereich Agglomerat'' aus den Atomen des Schichtmaterials gebildet, das heißt, die Atome gruppieren sich zu größeren Ansammlungen. Diese Agglomerate werden durch die Elektronen ionisiert und durch das elektrische Feld in Richtung auf das Substrat beschleunigt, so daß sie auf der Spaltebene des Substrats aufschlagen und dort die gewünschte Einkristallschichi bilden. Die erfindungsgemäß erzeugten kristallinen Schichten haben ausgezeichnete Eigenschaften. Man nimmt an, daß dieses Ergebnis dadurch ei zielt wird, daß der Sclbstauthcizungseffekt der abgeschiedenen Schicht selbst und der Wanderungscf-

fekt der Atome in der Dünnschicht ausgenutzt 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 Fall von halbleitenden Elementen, beispielsweise Silicium (Si).

Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Aufdampfeinrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dünnen Einkristallschichten durchzuführen, und

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

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

In Fig. 1 ist ein geschlossener Tiegel 1 dargestellt, der wenigstens eine Injektionsdüse 2 aufweist. Der Tiegel 1 enthält das Schichtmaterial 3, ays dem die Einkristallschicht gebildet werden soll. Der Tiegel wird durch ein geeignetes Heizverfahren, beispielsweise durch Widerstandsheizung oder Elektronenbeschußheizung (wie in Fig. 1 gezeigt ist) auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, so daß das Schichtmaterial 3 verdampft wird und einen Dampf 4 bildet. Auf diese Weise kann ein Dampf mit einem Dampfdruck von etwa 10~² Torr bis zu einigen Torr erhalten werden. Der auf diese Weise erzeugte Dampf 4 wird durch die Düse 2 in ein Vakuum 5 abgesprüht, das auf V₁U₀ des Dampfdruckes in dem Tiegel 1 oder auf einem geringeren Druck, höchstens jedoch bei 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 Agglomeraten 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 sogenanntes ionisiertes Agglomerat erzeugt. Folglich ist ein Draht 8 al:; 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 Beschleunigungselektroden erzeugt, die an und/oder nahe bei dem Substrat 10 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 Siliciumcinkristallc zu ziehen, da der Gitterfehlbetragzwischen Steinsalz und

Silicium, d. h. die Differenz zwischen der Gitterkonstanten von Steinsalz und Silicium, 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 Agglomerate 7 selbst in einzelne Atome, die sich auf der abgeschiedenen Schicht bewegen, so daß das Wachstum des Einkristalls auf Grund des sogenannten 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 Siliciumeinkristallschicht in der Richtung der (lOO)-Ebene auf der (100)-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.

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 Fig. 2 bis 5 zeigen Elektronenmikroskopaufnahmen und Elektronenbeugungsmuster von dünnen Silicium-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° C bei dem Beispiel, das in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, und auf 500° C bei dem Beispiel, das in den Fig. 3 und 5 gezeigt ist, eingestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Elektronenmikroskopaufnahmen und die Fig. 4 und 5 die Elektronenbeugungsmustcr der beiden Beispiele.

Aus den Fu;. 2 bis 5 ist ersichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne Schwierigkeiten ausgezeichnete Einkristallschichten hergestellt werden können. Besonders das in den Fig. 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.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren hat die folgenden Vorteile:

1. Die Oberfläche eines Substrats, auf dem eine Einkristallschicht abgeschieden und ausgebaut 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 auf Grund von Verunreinigungen haben.

2. Da die ionisierten Agglomerate mit einer genügend hohen Energie beschleunigt werden, die von einem an sie angelegten elektrischen 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 vonstatten geht. Auf diese Weise ist es nicht notwendigerweise erforderlich, daß das Substrat selbst aufgeheizt wird. Das glatte Wachstum einer Einkristallschicht mit hoher Qualitäl: kann durch den Selbstaufheizungseffekt der abgeschiedenen Schicht selbst vonstatten gehen. Durch die kombinierte Anwendung einer geeigneten Anhebung der kinetischen Energie der ionisierten Agglo-

> merate 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 Einkristallschicht leicht auf einem isolierenden Substrat wachsen. Daher kann das Substrat, welches die Kristallachse der darauf abgeschiedenen, dünnen Schicht orientiert, aus einer gro-

> Ben Vielzahl von Materialien, einschließlich Steinsalz, bestehen.

4. Durch geeignete Auswahl eines Substratmaterials, das eine sehr ähnliche Gill.erkonstante wie das Schichtmaterial, das abgeschieden werden

o soll, hat, kann die Erfindung nicht nur bei halb-

leitenden 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 Wasser oder ein anderes Lösungsmittel verwendet, wobei die Kristallstruktur der Schicht nicht geändert wird.

6. Durch Wiederholung des oben beschriebenen o Abscheidungsverfahrens können Einkristail-

schichten mit einem pn-Übergiing oder andere mehrlagige Einkristallschichten erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Einkristallschicht, wobei man das Schichtmaterial im Vakuum verdampft, auf die Spaltebene eines kristallinen Substrates niederschlägt und anschließend das Substrat in einem Lösungsmittel löst, d adurch gekennzeichnet, daß man die durch eine Düse (2) aus dem Tiegel (1) in ein Vakuum (5) gelangenden, abzuschneidenden Atome mit Elektronen beschießt und einem elektrischen Feld zwischen dem Tiegel (1) und dem Substrat (10) aussetzt, und daß man in dem Vakuum (5) einen Druck von V₁₀₀ oder weniger des Dampfdruckes in dem Tiegel (1), höchstens von 10~² Torr, aufrechterhält.