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"Verfahren zum Herstellen großflächiger
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Kristallscheiben" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
großflächiger Kristallscheiben durch epitaktische Abscheidung aus flüssiger Phase
und Aufwachsenlassen der den Kristall bildenden Komponenten auf einen Substratkristall,
wobei die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls in den verschiedenen Kristallebenen
unterschiedlich ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen groEflächiger
Halbleiterscheiben, die selbst oder deren Teile in Halbleiterbauelementen Verwendung
finden.
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Großflächige Kristallscheiben werden in verschiedenen Gebieten der
Technik verwendet. Erhebliche Bedeutung haben solche Kristallscheiben zumal in Halbleiterbauelementen,
wie Dioden, Transistoren und Thyristoren, erlangt, bei denen scheibenförmige Halbleiterkörper
hoher Kristallperfektion etwa aus Silizium, Germanium oder Verbindungen der III.
und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente, wie etwa Galliumarsenid, zur Anwendung
kommen. Da die Gebrauchsfähigkeit und die Einsatzmöglichkeit eines Halbleiterbauelementes
wesentlich von der Güte des Halbleiterkörpers mitbestimmt wird, sind die Bestrebungen
der Halbleitertechnologie bevorzugt auf die Erzeugung solcher
Kristall
scheiben hoher Perfektion gerichtet. Als geeignete Verfahren haben sich hierzu z.B.
die Gasphasen- und die Flüssigphasenepitaxie erwiesen.
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Es ist bekannt, daß großflächige Krisballecheiben dann entstehen,
wenn die Wachstumsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Kristallebenen unterschiedlich
sind. So wächst beispielsweise bei der Gasphasenepitaxie des Galliumarsenids (als)
die (111 )-A- Seite 15mal schneller als'die (111)-B-Seite. Bei entsprechender Orientierung
des Keiinkristalls, wo das laterale Wachstum stärker als das vertikale Wachstum
ist, ergeben sich unter diesen Bedingungen bei einem punktförmigen Nukleationszentrum
flächige Strukturen, die flachen dreiseitigen Pyramidenstümpfen entsprechen.
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Bei der Flüssigphasenepitaxie, bei der nach einem üblichen Verfahren
ein Keimkristall in eine gesättigte bzw. übersättigte Lösung der den Kristall bildenden
Komponenten eintaucht, wird die Bildung dieser Pyramidenstümpfe nicht beobachtet,
da auf einer Kristallfläche eine große Anzahl von Nukleationszentren vorhanden ist,
von denen aus das Kristallwachstum gleichzeitig einsetzt. Aus der Überlagerung der
zahlreichen beim Wachstumsbeginn zunächst entstehenden Pyramidenstümpfe ergibt sich
dann eine geschlossene flächenhafte Schicht ohne erkennbare besondere Bevorzugung
der lateralen Wachstumsrichtung.
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Für die weitere Verwendung der auf der Substratfläche des Keimkristalls
epitaktisch abgeschiedenen Schicht von etwa 1 bis 2 mm Dicke ist eine Trennung vom
Substratkristall erforderlich, was üblicherweise etwa durch Sägen vorgenommen wird.
Nachteilig wirkt sich dabei aus, daß die Oberfläche des Substratkristalls beim Sägen
erheblich beschädigt wird, so daß er erst nach umfangreichen Arbeitsschritten, wie
Läppen und chemomechanischem
und cllemischem Polieren, für weitere
epitaktische Abscheidungen wiederverwendet werden kann. Ebenfalls muß als nachteilig
angesehen werden, daß beim Sägen und Polieren Verluste an dem hochwertigen Halbleitermaterial
auftre-ten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen großflächiger
Kristallscheiben anzugeben, bei dem die genannten Nachteile der umständlichen Trennung
und Aufarbeitung möglichst vermieden und außerdem die Materialverluste möglichst
eingeschränkt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen groB-flächiger
Kristallscheiben durch epitaktische Abscheidung aus flüssiger Phase und Aufwachsenlassen
der den Kristall bildenden Komponenten auf einen Substratkristall, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit
des Kristalls in den verschiedenen Kristallebenen unterschiedlich ist, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die in die flüssige Phase eintauchende Oberfläche des Substratkristalls,
der derart orientiert ist, daß die laterale Wachstumsgeschwindigkeit auf der Oberfläche
größer als in andern Richtungen des Kristalls ist, vor dem Eintauchen allseitig
- mit Ausnahme einer einzigen als Nukleationszentrum vorgesehenen und freibleibenden
Stelle der Oberfläche-mit einer die epitaktischen Abscheidungen verhindernden Passivierungsschicht
bedeckt wird.
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Als Passivierungsschicht werden zweckmäßigerweise Oxid- oder Nitridschichten
verwendet, die zur Freilegung des Nukleationszentrums auf der Oberfläche des Substratkristalls
eine Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 100 /um erhalten. Zur Bildung dieser
Öffnung in der Passivierungsschicht sind übliche Photolackverfahren geeignet.
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Mit der Erfindung wird erreicht, daß die große Zahl der Nukleationszentren,
die
auf der Oberfläche des Substratkristalls vorhanden sind und die die bevorzugte flächenhafte
Ausbildung der Kristallscheiben verhindern, auf ein einziges Nukleationszentrum
vermindert ist. Nur an der Öffnung der yassivierungsschicht kann ein Kristallwachstum
stattfinden, nicht dagegen auf den Oxid- oder Nitridschichten. Überraschenderweise
hat sich nun aber außerd-em gezeigt, daß auch eine verhältnismäßig große Fläche
auf dem Substratkristall mit dem genannten Durchmesser von etwa 100 Zum sich wie
ein punktförmiges Kristallisationszentrum verhält und die angestrebte großflächige
Kristall ausbildung ermöglicht. Da zwischen dem Substratkristall und der abgeschiedenen
Schicht eine nur sehr kleine Berührungsfläche vorhanden ist, läßt sich die Kristallscheibe
nach Beendigung des Aufwachsens leicht - etwa durch Absprengen - von dem Substratkristall
abtrennen, ohne daß hierzu aufwendige Maßnahmen wie bei bisher bekannten Verfahren
notwendig wirken. Ein weiterer Vorteil der Passivierung der Oberfläche des Substratkristalls
liegt in der Verhinderung einer Diffusion von gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen
aus dem Substratmaterial in die Schmelze und aus dieser in die abgeschiedene Kristallscheibe.
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An einem Ausführungsbeispiel und an Hand der teilweise schematischen
Zeichnung soll das Verfahren nach der Erfindung noch einmal näher beschrieben werden.
Eine Anwendungsmöglichkeit bietet sich etwa bei der Herstellung von Galliumarsenid-Scheiben
an, die nach dem sogenannten "Traveling solvent"-Verfahren aus einem polykristallinen
Festkörper durch Umkristallisieren über eine Lösungsmittelzone gewonnen werden.
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In einem beispielsweise zylindrischen Gefäß 1 befindet sich auf einem,
in dem Gefäß 1 beweglichen Bodenteil 2 ein als Vorratsmaterial dienender Festkörper
3 aus polykristallinem Galliumarsenid, dessen Oberfläche 4 mit einem Lösungsmittel
5
- geschmolzenem Gallium - in Berührung steht. In die Schmelze
5 wird von oben mit Hilfe einer Halterungsvorrichtung 6 ein Substratkristall 7 eingetaucht.
Dieser für das Verfahren nach der Erfindung wesentliche Teil der Vorrichtung ist
in Figur 2 zur Verdeutlichung noch einmal in vergrößertem Maßstab dargestellt.
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Der Substratkristall 7 wird vor dem Eintauchen in die Schmelze 5 allseitig
- wenigstens aber auf der seitlichen und unteren Oberfläche - mit einer Passivierungsschicht
8 bedeckt, die nur an einer Stelle eine kleine Öffnung 9 aufweist, durch die das
Nukleationszentrum auf der Oberfläche des Substratkristalls ' freigelegt wird.
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Von diesem Nukleationszentrum 9 wächst während des nachfolgenden Abscheidungsprozesses
der Kristall 10 wegen der höheren lateralen Wackstumsgeschwindigkeit hauptsächlich
in seitlicher Richtung und nimmt erst allmählich auch an Dicke zu. Man erhält daher
einen Kristall mit der angestrebten großflächigen scheibenförmigen Gestalt. Sobald
die Scheibenjicke des Kristalls 10 eine für den Verwendungszweck hinreichende Größe,
etwa ein bis einige mm erreicht hat, wird der Substratkristall 7 mit dem aufgewachsenen
Kristall 10 aus der Schmelze 5 entfernt. Da die Verbindungsstelle 9 zwischen dem
Substratkristall 7 und dem aufgewachsenen Kristall 10 nur sehr klein ist, lassen
sic beide leicht durch Abspringen voneinander trennen.
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Wenn der Substratkristall 7 zur wiederholten Abscheidung Verwendung
finden soll, ist es gegebenenfalls vorteilhaft, das Nukleationszentrum 9 nach dem
Absprengen eines Kristalls 10 mit einer Ätzlösung oder einer ungesättigten Galliumschmelze
zu behandeln, wobei ein Teil des Substratkristalls 7 aufgelöst wird und eine Vertiefung
11 entsteht, wie sie in Figur 3 - noch
einmal gegenüber Figur 2
vergrößert - dargestellt ist. Diese Vertiefung 11 wird nach dem erneuten Eintauchen
des Substratkristalls 7 in die Schmelze 5 störungsfrei aufgefüllt und bildet dann
das Nukleationszentrum 9 für das epitaktische Abscheiden und Aufwachsenlassen einer
weiteren Kristallacheibe 10.
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Die Orientierung des Substratkristalls 7 wird in der Weise vorgenommen,
daß die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls senkrecht zu einer Nukleationsebene
gering ist. Neben der bereits oben beschriebenen (111)-B-Fläche eignet sich beim
Galliumarsenid- auch die langsam wachsende CII (110)-Fläche als Nukleationsfläche;
sie ergibt als Vorzugsrichtung beim Absprengen meist spiegelebene Bruchflächen,
die für weitere Abscheidungen besonders geeignet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es das Ziel, großflächige
Kristallscheiben herzustellen, deren seitliche Ausdehnung über die Größe des Substrates
hinausgeht. Hierzu wird ein bearbeiteter und orientierter Impfkristall 12 - etwa
in Form eines sitzen Kegels, dessen Spitze 13 dann als Nukleationszentrum für die
nachfolgende Abscheidung dient - in eine entsprechend geformte Aussparung 14 eines
Trägers 15, z.B. in eine kegel- oder halbkugelförmige Vertiefung, eingesetzt und
mit Hilfe einer beweglichen, an der Grundfläche des Impfkristalls 12 anliegenden
Leiste 16, deren Lage durch Justierschrauben 17 einstellbar ist, in eine für die
Abscheidung geeignete Lage gebracht. Der Träger 15 besteht aus einem Material, das
die Kristallisation nicht beeinflußt, beispielsweise aus einem amorphen Körper.
Er entspricht in seiner Funktion der oben beschriebenen Passivierungsschicht des
Substratkristalls.
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Wird dieses System aus Impfkristall, Halterung und Träger in eine
gesättigte Schmelze gebracht und die Temperatur entsprechend
gesenkt,
so geht von der als Nukleationszentrum wirkenden Spitze 13 des Impfkristalls 12
die Kristallisation aus.
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Als Folge der größeren lateralen Wachstumsgeschwindigkeit entsteht
- ungehindert durch den nicht-kristallinen Träger 15 -ein scheibenförmiger Kristall
1 mit einer noch mehr vergrößerten seitlichen Ausdehnung, da diese unabhängig und
unbeeinflußt von der Größe des Substrates ist und somit auch ias laterale tzZachstum
des Kristalls 18 weder begrenzt noch eingeschränkt wird.