DE2709628A1

DE2709628A1 - Verfahren zum herstellen von halbleitern

Info

Publication number: DE2709628A1
Application number: DE19772709628
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Anthony; Mike Fushing Chang; Harvey Ellis Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-03-09
Filing date: 1977-03-05
Publication date: 1977-09-15
Also published as: US4108685A; GB1572045A; JPS5548447B2; JPS52122469A; FR2344128A1; NL7702507A; US4040868A

Description

Dr. rer. not. Horst Schüler PATENTANWALT

6000 Fronkfurt/Main 1 4. Mär ζ 1977

Kaiterstrasse 41 Dr. Sb . /he

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Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

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GENERAL ELECTRIC COMPANY

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VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON HALBLEITERN

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von p-n-Übergang-Isolationsgittern für Halbleiterelemente.

In dem Buch "Zone Melting" von W.G. Pfann, erschienen im Verlag John Wiley and Sons, Inc., New York (1966) ist ein Verfahren mit einem wandernden Lösungsmittel beschrieben, um in einem Halbleiterkörper einen p-n-übergang herzustellen. Bei diesem Verfahren werden entweder Folien oder Drähte aus einer geeigneten metallischen Flüssigkeit mit einem thermischen Gradienten durch ein festes Halbleitermaterial bewegt. Hinter dem sich bewegenden flüssigen Draht bleibt dotiertes flüssig-epitaxiales Material zurück. Dieses thermische Zonenschmelzverfahren sowie die damit erzielbaren Ergebnisse sind auch in den US-PS 2 739 O88 und 2 813 048 beschrieben. Bis vor kurzem wurde dieses Verfahren des Zonenschmelzens mit einem Temperaturgradienten in einem Versuch eingesetzt, um verschiedene Halbleiterelemente herzustellen.

In der US-PS 3 904 442 sind neue Verfahrenstechniken beschrieben, die es gestatten, das Verfahren von Pfann kommerziell anzuwenden. Aufgrund der in der zuletzt genannten US-PS beschriebenen Verbesserungen kann man eine Scheibe aus Halbleitermaterial in viele elektrisch isolierte Regionen unterteilen, in denen elektrische Elemente hergestellt sind. Eine weitere Bearbeitung führt zu einzelnen Elementen, wenn die Scheiben in einzelne Elemente zerschnitten oder zerteilt werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß beim Erhitzen der auf den Halbleiterkörper aufgebrachten Metallschichten oder Drähte das Metall schmilzt und beginnt, sich mit dem Halbleitermaterial zu legieren. Dieses Schmelzen ist mit einem Zusammenballen des Metalles verbunden, das zur Ausbildung von Diskontinuitäten in den beim Bewegen der Metalldrähte erzeugten dotierten Bereichen führt und zwar insbesondere an den Stellen, wo siph diese dotierten Regionen schneiden. An diesen Stellen mit Diskontinuitäten bzw. Unterbrechungen sind die einzelnen Regionen dann nicht elektrisch voneinander isoliert.

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Es war daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Ausführen des Zonenschmelzens mit thermischem Gradienten zu schaffen, mit dem elektrische Isolationsgitter erzeugt werden können, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß als erste Verfahrensstufe ein Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial ausgewählt wird, der eine bevorzugte kristallographische Struktur aufweist, weiter zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, wobei der Körper weiter einen ersten vorbestimmten Leitfähigkeitstyp und einen vorbestimmten spezifischen Widerstand hat. Mindestens die obere Oberfläche des Körpers weist line bevorzugte planare Orientierung auf. Der Körper hat auch eine Vertikalachse, die im wesentlichen mit einer ersten Achse der Kristallstruktur ausgerichtet'ist, wobei diese beiden Achsen im wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche verlaufen. Eine Schicht aus Maskierungsmaterial, z. B. aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid kann vorzugsweise auf die obere Oberfläche des Körpers aufgebracht werden. Vorzugsweise durch selektives chemisches Ätzen werden Fenster in der Schicht aus Markierungsmaterial geöffnet, um das Material einer vorbestimmten Dicke freizulegen, wenn solches in jedem der Fenster und auf dem freiglelegten Oberflächenteil des Körpers aufgebracht ist. Dieses aufgebrachte Material wird dann mit dem Material der oberen Oberfläche des Körpers entweder separat oder während eines kontinuierlichen Verfahrensbetriebes legiert. Der Körper und das daran legierte Metall werden dann bis zu einer vorbestimmten Temperatur erhitzt, die ausreicht eine Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial in den Fenstern zu bilden. Ein Temperaturgradient wird im wesentlichen parallel mit der Vertikalachse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur eingerichtet. Die Oberfläche, auf der die Schmelze gebildet wird, hält man bei der tieferen Temperatur. Danach wird die Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial

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als geschmolzene Zone durch den festen Körper aus Halbleitermaterial bewegt. Die Bewegung der Schmelze kann durch den ganzen Körper oder für eine vorbestimmte Tiefe in den Körper erfolgen. Durch die Bewegung der Schmelze wird eine Region aus rekristallisiertem Halbleitermaterial des Körpers gebildet, das in fester Löslichkeit das aufgebrachte Metall enthält. Die so hergestellte Region hat eine im wesentlichen gleichmäßige lieite und einen im wesentlichen gleichförmigen spezifischen Widerstand durch die gesamte Region. Ein entstandener p-n-übergang ist im wesentlichen ein Stufenübergang, doch kann dieser Übergang durch eine thermische Nachbehandlung weniger steil gestaltet werden. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Planaransicht eines geometrischen Musters nach dem Stand der Technik,

Figur 2 eine Planaransicht eines geometrischen Musters, das das verbesserte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verkörpert,

Figur 3 eine Seitenansicht irn Schnitt der geometrischen Anordnung nach Figur 2 entlang der Schnittebene 3 - 3,

Figur 4 die morphologische Gestalt von Drähten, die stabil in <111> -Richtung bewegt werden können, und

Figuren 5, 6, 7 und 8 Seitenansichten im Schnitt, die die Behandlung des Körpers der Figur 3 veranschaulichen.

^Tn Figur 1 ist die geometrische Konfiguration 10 gezeigt, die in einer Scheibe 12 aus einkristallinem Halbleitermaterial nachjdem in der US-PS 3 904 442 beschriebenen Zonenschmelzverfahren unter Anwendung eines thermischen Gradienten erhalten wurde. Um die Konfiguration 10 herzustellen, sind zwei oder drei nacheinander auszuführende Zonenschmelzverfahren mit thermischem Gradienten

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erforderlich. Dies wird bewerkstelligt, indem man bevorzugte "Drahf'-Richtungen und eine planare (lll)-Orientierung für die Hauptoberfläche der Scheibe aus Halbleitermaterial benutzt. Das Ergebnis sind drei Gruppen im Abstand voneinander verlaufender Planarregionen I¹I,* 16 und 18 eines Leitfähigkeitstyps, der dem Leitfähigkeitstyp der Scheibe 12 entgegengesetzt ist. Die p-n-

die

Übergänge 20, 22 und 24 werden durch 7 aneinanderstoßenden Oberflächen des Materials mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp des Körpers oder der Scheibe 12 und der jeweiligen Planarregionen 14, 16 und 18 gebildet. Die Planarregionen 1*1, 16 und sind in einem vorbestimmten Winkel zueinander orientiert, so daß nach der Bewegung eine erste Gruppe hexagonaler Regionen und eine zweite Gruppe dreieckiger Regionen 28 gebildet ist. Die Regionen 26 und 28 sind elektrisch voneinander und von den jeweils benachbarten Regionen 26 oder 28 durch die Regionen 14, 16 und 18 isoliert. Die Regionen 28 repräsentieren das verlorene Halbleitermaterial, da sie beim Zertrennen der Scheibe 12 in einzelne Elemente oder Chips als Abfall anfallen, während das funktionelle Halbleiterelement in der Region 26 hergestellt ist.

Die Regionen 28 resultieren aus zwei Paktoren bei der kommerziellen Verarbeitung der Scheibe 12. Zum einen konnten vor der vorliegenden Erfindung die Regionen 14, 16 und 18 nicht gleichzeitig mit einem Zonenschmelzverfahren mit thermischem Gradienten gebildet werden. Man mußte jede Region 14, 16 und einzeln oder man konnte zwei von ihnen gleichzeitig und dann danach die dritte Region bilden. Es waren daher mindestens zwei und möglicherweise drei solche Verfahrens stufen erforderlich. Der Grund hierfür ist in der US-PS 3 904 442 angegeben. Versuchte man daher die drei Metalldrähte zur Bildung der Regionen 14, l6 und 18 gleichzeitig zu bewegen, dann führte die Oberflächenspannung in den meisten Fällen beim Beginn der Bildung der zu bewegenden Schmelze zu einem Zusammenballen des Metalles.

von Dieses Zusammenballen führte zur Bildung/Diskontinuitäten in

den Planarregionen 14, 16 und 18, in erster Linie an ihren

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Schnittpunkten und die Gruppen von Regionen 26 und 28 waren dann nach Durchführung des Verfahrens nicht elektrisch voneinander isoliert. Das Zerteilen der Scheibe in einzelne elektrische Elemente, die in den Regionen 26 gebildet waren, konnte dann dazu führen, daß die einzelnen Elemente versagten, da die damit verbundenen Teile der Regionen 14, 16 und 18 ebenso wie der Teil der entsprechenden p-n-übergänge 20, 22 und 24 zum Schutz der elektrischen Charakteristiken der Elemente erforderlich sind. Außerdem war die Ausrichtung der Masken ein Problem, da die sorglose Handhabung und die schlechte Ausrichtung der Maske während ri>s Verfahrens einen zu großen Verlust verursachen kann. Obwohl daher ein Teil des Halbleitermaterials als Abfall abfällt, ist die Orientierung der Regionen wie dargestellt noch immer brauchbar, wenn man versucht, £ine möglichst hohe Produktausbeute zu erzielen.

In den Figuren 2 und 3 ist ein geometrisches Muster bzw. eine geometrische Anordnung 50 für elektrische Isolationsregionen gezeigt, die benutzt werden, eine spezifische Klasse von Halbleiterelementen kommerziell herzustellen. Diese Planaranordnung 50 wird derzeit hauptsächlich dazu benutzt, Körper oder Scheiben 52 aus einkristallinem Halbleitermaterial der Verarbeitung zu unterwerfen. Das Material der Scheiben oder Körper 52 kann Germanium, Siliciumkarbid, eine Verbindung eines Elementes der Gruppe limit einem Element der Gruppe VI oder eine Verbindung eines Elementes der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V des Periodensystems der Elemente sein, die vorzugsweise eine kubische Diamant-Kristallstruktur aufweist. Der Körper 52 hat zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen 54 und 56, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, sowie eine periphere Seitenoberfläche 58. Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, daß der Körper 52 aus Silicium besteht. Die Dicke des Körpers ist die einer typischen Scheibe von etwa 0,15 bis 0,25 nun oder mehr, je nachdem welches Element oder welche Elemente hergestellt werden sollen.

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Die bevorzugte geometrische Anordnung 50 ist erwünscht, da sie durch das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten leicht erhältlich ist und eine maximale Ausnutzung des Volumens des Halbleitermaterials für die Herstellung von Halbleiterelementen gestattet und so zu maximalen Ausbeuten bei der kommerziellen Herstellung führt.

Die geometrische Anordnung 50 umfaßt drei Gruppen im Abstand voneinander angeordneter Planarregionen 60, 62 und 64, die sich vollkommen durch den Körper oder die Scheibe 52 erstrecken und in den gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Körpers enden. Obwohl das Material der Regionen 60, 62 und 64 den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das des Körpers 52 haben kann, ist es bevorzugt, daß der Leitfähigkeitstyp dieser Regionen dem Leitfähigkeitstyp des Materials der Scheibe 52 entgegengesetzt ist. Auf diese Weise kann man die Regionen 60, 62 und 64 als elektrische Isolationsmittel zum Unterteilen der Scheibe oder des Körpers in viele Regionen 66 benutzen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Planare oder mesaartige elektrische Elemente können hergestellt werden, bevor man die Wanderung ausführt, die zur Bildung der Region 66 führt oder danach.

Die Anordnung 50 kann man erhalten, indem man ein Zonenschmelzverfahren mit thermischem Gradienten ausführt, bei dem man Metall-"Drähte" eines bevorzugten Dickenbereiches anlegiert, um die Einleitung der Bewegung und die Herstellung der Regionen 60, 62 und 64 in einer gleichzeitigen Bewegung zu unterstützen.

Die Scheibe oder der Körper 52 aus einkristallinem Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, wird hinsichtlich seines Leitfähigkeitstyps und spezifischen Widerstandes ausgewählt. Der spezifische Widerstand des Materials des Körpers 52 variiert in Abhängigkeit von der Anforderung an die Durchbruchsspannung des Elementes 68, das in der Region 66 hergestellt werden soll und der Durchbruchsspannung für die p-n-übergänge der elektrischen Isolationsregionen, die notwendig ist, um die Integrität

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des Elementes 68 sicherzustellen, wenn die Scheibe 52 in einzelne Elemente 68 zerschnitten wird. Der Leitfähigkeitstyp der planaren Regionen 60, 62 und 64 wird durch den Leitfähigkeitstyp bestimmt, der für die Regionen 66 und die Scheibe 52 erforderlich ist.

Zusätzlich hat der Körper 52 eine bevorzugte planare kristallographische Orientierung für mindestens die Oberfläche 54. Die bevorzugte Orientierung ist die (lll)-Ebene. Es ist in der US-PS 3 904 442 beschrieben, daß die Stabilität der Drähte in einer (lll)-Ebene für die Oberfläche 54₇die in einer <lll ^Richtung durch den Körper 52 zur Oberfläche 56 wandern, im allgemeinen gegenüber der kristallographischen Richtung des Drahtes nicht empfindlich ist. Diese allgemeine Stabilität von in der (111)-Ebene liegenden Drähten resultiert aus der Tatsache, daß die (111)-Ebene die Facettenebene für das metallreiche flüssige Halbleitersystem ist.

Die morphologische Gestalt eines Drahtes in der (lll)-Ebene ist in Figur 4 gezeigt, wobei die obere und die untere Oberfläche des Drahtes in der (111)-Ebene liegen. Es sind somit sowohl die vordere als auch die rückwärtige Fläche dieser Drähte stabil, vorausgesetzt das der Draht eine Weite hat, die eine bevorzugte Weite von weniger als 500 um nicht übersteigt.

Die Seitenflächen eines Drahtes, der in der (lll)-Ebene liegt, sind nicht so stabil wie die obere und die untere Oberfläche. Kanten der Seitenflächen, die in den <1Ϊ0> ^10Ϊ>- und <011>-Richtungen liegen, haben (lll)-artige Ebenen als Seitenflächen. Infolgedessen sind diese Drähte stabil gegenüber irgendeiner Seitendrift, die erzeugt werden kann, wenn der thermische Gradient nicht im wesentlichen entlang der ^1117-Achse ausgerichtet sein sollte. Andere Richtungen in der (lll)-Ebene, wie z. B. die <112>-artige Drahtrichtung bilden Auszackungen auf ihren Seitenflächen, wenn sie als Ergebnis eines leicht außerhalb der Achse liegenden thermischen Gradienten seitwärts

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driften. Eventuell zerbricht dann der weiter wandernde Draht vollständig oder verbiegt sich in eine<110>-artige Richtung. Ein vernünftig gut ausgerichteter thermischer Gradient gestattet jedoch die thermische Bewegung von in der <.112>-Richtung liegenden Drähte mindestens durch Körper aus Halbleitermaterial mit einer Dicke von 1 cm mit dem Zonenschmelzverfahren unter Anwendung des thermischen Gradienten, ohne daß der Draht zerbricht oder sich Auszackungen an den Kanten des wandernden Drahtes bilden.

Beim Bewegen von flüssigen Drähten durch Körper aus Halbleitermaterial mit einer (111)-Scheibenebene sind die stabilsten Drahtrichtungen <Ο1Ϊ>, <1ΟΪ> und <110>.Die Weite jedes dieser Drähte kann bis zu etwa 500 um betragen und trotzdem Stabilität während der thermischen Wanderung beibehalten. Ein dreieckiges Gitter mit vielen .Drähten, die in den drei Drahtrichtungen <Όΐϊ), <Ίθΐ> und

_ fliegen,
<1102tyist durch ein Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten durch gleichzeitiges Bewegen der drei Drähte nicht leicht erhältlich. Die Oberflächenspannung der Schmelze des metallreichen Halbleitermaterials am Schnittpunkt der drei Drahtrichtungen ist ausreichend hoch, um die Drahtrichtungen zu unterbrechen und somit eine Unterbrechung in der Gitterstruktur zu erzeugen. Das Gitter wurde daher bisher vorzugsweise durch drei separate thermische Zonenschmelzverfahren hergestellt, wobei man eine Drahtrichtung jeweils zu einer Zeit bewegte.

Drähte einer der Richtungen <112> , <211>und <121> sind weniger stabil als die Drahtrichtungen <0lI>, <10Ϊ >und <1Ϊ0>während der thermischen Bewegung.doch sind sie stabiler als irgendeiner Di»ahtrichtung in der (lll)-Ebene. Die Drähte können eine Weite bis zu 500 um haben und ihre Stabilität während der Wanderung beibehalten.

Es kann auch irgendeine andere Drahtrichtung in der (lll)-Ebene, die bisher noch nicht genannt wurde, durch den Körper des Halbleitermaterials bewegt werden. Die Drähte dieser übrigen Drahtriohtungen haben jedoch die geringste Stabilität von allen Drahtrichtungen der (lll)-Ebene bei Anwesenheit eines thermischen

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Gradienten der mit der Achse nicht ausgerichtet ist. Drähte mit einer Weite bis zu etwa 500 um sind für alle Drahtrichtungen in der (lll)-Ebene während der Wanderung stabil.

Ein senkrechtes p-n-Ubergang-Isolationsgitter, in dem die erzeugten Regionen im wesentlichen senkrecht zueinander stehen oder irgendeine andere Konfiguration sich schneidender planarer Regionen aufweisen, kann durch gleichzeitige Bewegung einer der Drahtrichtungen <011^, <.101>und <110^>und irgendeiner der verbleibenden Drahtrichtungen hergestellt werden. Das Gitter kann aber auch durch Bewegen jeder Drahtrichtung separat hergestellt werden.

In der folgenden Tabelle sind die stabilen Drahtrichtungen für eine jeweilige planare Ebene zusammen mit den stabilen Drahtgrößen zusammengefaßt.

Tabelle

Scheiben- Wanderungs stabile Draht stabile Drahtebene richtung richtungen größen

(100) 4.100 > <0117" *" <£100 um

<-011/^r *■ ^iIOO um

(110) <110> <110>· * <150 um

(111) Oll> + a)

<10l> < 500 yam

b)

>■ * < 500 yum

c) irgendeine andere Richtung in der (111)-Ebene

Ψ Die Stabilität des wandernden Drahtes ist abhängig von der Ausrichtung des thermischen Gradienten mit der^l 1007",<110> oder der <11117-Achse.

+Die Gruppe a ist stabiler als die Gruppe b, die stabiler ist

als die Gruppe ^9837/0815

Beim Bewegen von Drähten ist bei einer planaren Orientierung der Oberfläche 5Ί in der (lll)-Ebene bevorzugt, die Oberfläche 54 zu ätzen, um darin trogartige Vertiefungen zu erzeugen. Die trogartigen Vertiefungen unterstützen die Einleitung des Wanderungsprozesses und verhindern, daß sich die "Drähte" während der Bildung des metallreichen Halbleitermaterials des Drahtes ausbreiten. Ist eine genaue Weite des Drahtes nicht erforderlich und kann einige Abweichung darin toleriert werden, dann kann man mit einer Oxidmaske arbeiten. Bei einer solchen Oxidmaske tritt etwas seitliches Fließen des metallreichen Halbleitermaterials zwischen Maske und Scheibenoberfläche 54 in der unmittelbaren Nähe des Fensters in der Maske auf, in dem das Metall angeordnet ist.

Im folgenden wird auf dfe Figuren 5 bis 8 Bezug genommen. Der Körper oder die Scheibe 52 wird mechanisch poliert und chemisch geätzt, um zerstörte Oberflächenbereiche zu entfernen, und danach in entionisiertem Wasser gespült und in Luft getrocknet. Danach bringt man eine säurebeständige Maske 68 auf die Oberfläche 54 des Körpers 52 auf. Vorzugsweise besteht die Maske aus Siliciumoxid, das entweder thermisch aufgewachsen oder aufgedampft worden ist, wozu die Verfahren bekannt sind. Das Material der Maske 68 kann aber auch Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid sein. Unter Anwendung der bekannten photolithographischen Techniken wird eine Schicht 70 aus Photoresist, wie z. B. Kodakmetall-Ätzresist auf die Oberfläche der Siliciumoxidschicht 68 aufgebracht. Der Resist wird durch Erhitzen auf eine Temperatur auf 80⁰C getrocknet. Eine geeignete Maske der Konfiguration 50 aus Linien einer vorbestimmten Dicke sowie Drahtrichtungen und Schnittpunkten an den üblichen Stellen zur Bildung/hexagonalen Anordnung wird dann auf der Schicht 70 aus Photoresist angeordnet und das Ganze ultraviolettem Licht ausgesetzt. Nach der Belichtung wird die Schicht 70 aus Photoresist in Xylol gewaschen, um die Fenster 72 in der Photoresistschicht 70 zu öffnen, wo die Linien sein sollen, damit man anschließend die Siliciumschicht 68, die in den Fenstern freigelegt ist, selektiv ätzen kann. ^r

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Das selektrive Ätzen der Schicht 68 aus Siliciumoxid erfolgt mit einer gepufferten Fluorwasserstoffsäurelösung (NH.F-HF). Das Ätzen wird fortgesetzt, bis Fenster Tk in der Siliciumoxidschicht 68 gebildet sind, die den Fenstern 72 in der Photoresistschicht 70 entsprechen, wodurch selektive Teile der Oberfläche 5H des Körpers 52 aus Silicium freigelegt sind. Der so behandelte Körper wird in entionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Der Rest der Photoresistschicht 70 wird durch Eintauchen in konzentrierte Schwefelsäure bei 18O°C oder durch Eintauchen in eine frisch zubereitete Lösung aus einem Teil Wasserstoffperoxid und einem Teil konzentrierter Schwefelsäure entfernt.

Das selektive Ätzen der freigelegten Oberflächenbereiche des Körpers 52 erfolgt mit edner gemischten Säurelösung aus 10 VoI.-Teilen einer 70 Jigen Salpetersäure, 4 Vol.-Teilen 100 itiger Essigsäure und einem Vol.-Teil 48 Jiger Fluorwasserstoffsäure. Bei einer Temperatur von etwa 20 - 30⁰C ätzt die gemischte Säurelösung das Silicium des Körpers 52 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 Hin pro Minute selektiv. In die Oberfläche 5Ί des Körpers 52 wird unterhalb dieses Fensters 7¹* in der Oxidschicht ein Trog 76 geätzt. Das selektive Ätzen wird fortgeführt, bis die Tiefe des Troges 76 etwa gleich der Weite des Fensters in der Siliciumoxidschicht 68 ist. Es ist jedoch festgestellt worden, daß die Tiefe des Troges 76 100 um nicht übersteigen sollte, da sonst ein Unterschneiden der Siliciumoxidschicht 68 erfolgt. Dieses Unterschneiden der Siliciumoxidschicht 68 hat eine nachteilige Wirkung auf die Weite dfs durch den Körper 52 zu bewegenden Drahtes. Ein Ätzen für etwa 5 Minuten bei einer Temperatur von 25°C führt- zu einem Trog 76 mit einer Tiefe von 25 - 30 yam für ein Fenster mit einer Weite von 10 bis 500 ^ui. Der geätzte Körper 52 wird in destilliertem Wasser gespült und trockengeblasen. Hierfür ist z. B. ein Gas, wie Freon, Argon usw. geeignet.

Der behandelte Körper 52 wird in einer Metallbedampfungskammer angeordnet. Auf die verbliebenen Teile der Schicht 68 aus Siliciumoxid und das freigelegte Silicium in den Trögen 76 wird eine

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Schicht 78 aus einem geeigneten Metall aufgebracht. Das Metall in den Trögen 76 bildet die durch den Körper 52 zu bewegenden Metall "Drähte". Das Metall der Schicht 78 ist entweder im wesentlichen rein oder mit einem oder mehreren Materialien in geeigneter Weise dotiert, um dem Material des Körpers 52, durch welches es wandert, einen zweiten und dem des Körpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zu verleihen. Die Dicke der Schicht 78 beträgt mindestens 1 jm_f nicht mehr jedoch als in der Größenordnung von 65OO 8 . Der Grund dafür, daß die Dicke der Metallschicht 65OO A nicht übersteigen sollte, wird weiter unten erläutert.

Ein geeignetes Material für die Metallschicht 78 ist Aluminium, wenn man p-leitende Regionen in η-leitendem Silicium erzeugen will. Bevor man mit dem Bewegen der Metalldrähte in den Trögen durch den Siliciumkörper 52 beginnt, wird das Überschüssige Metall der Schicht 78 von der Siliciumoxidschicht 68 auf geeignete Weise, wie durch Abschleifen z. B. mit Karbidpapier von 6OO Grit entfernt.

Es wurde festgestellt, daß das Aufdampfen der Schicht 78 aus Aluminiummetall bei einem Druck von 1 χ ΙΟ"-³ Torr_;nicht jedoch bei mehr als 5 χ 10~^ Torr erfolgen sollte. Bei einem Druck von mehr als 3 χ 10*-* Torr wurde nämlich festgestellt, daß das in den Trögen 76 niedergeschlagene Aluminium nicht in das Silicium eindringt und somit auch nicht durch den Körper 52 wandert. Es wird angenommen, daß die Aluminiumschicht mit Sauerstoff gesättigt ist und daß dies ein gutes Benetzen der anstoßenden Siliciumoberflachen verhindert. Die Schmelze aus Aluminium und Silicium, die für die Wanderung erforderlich ist, wird nicht erhalten, da die Aluminiumatome nicht in die SiIiciumgrenzfläche eindiffundieren können. In gleicher Weise ist durch Zerstäuben aufgebrachtes Aluminium nicht brauchbar, da auch dann das Aluminium mit Sauerstoff aufgrund des angewandten Verfahrens gesättigt zu sein scheint. Die bevorzugten Verfahren zum Aufbringen des Siliciums auf den Siliciumkörper 52 sind die mittels des

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Elektronenstrahle3 und ähnliche, bei denen nur wenig, wenn überhaupt _f Sauerstoff im Aluminium eingefangen werden kann.

Vor dem Bewegen des Drahtes wird der behandelte Körper 52 in einem geeigneten Ofen angeordnet und auf eine Temperatur von mindestens |?72^OC erhitzt. Ein Bereich von 572 - 600°C ist geeignet. Der Körper 52 wird bei dieser Temperatur für eine Dauer von 5 ~ 30 Minuten gehalten, um den Metalldraht mit dem Halbleitermaterial der trogartigen Vertiefungen zu legieren. Eine bevorzugte Legierungstemperatur ist die von 525 + 5°C für eine Dauer von mindestens 20 Minuten. Man erreicht dabei das Legieren des Metalles mit dem Halbleitermaterial der Oberfläche, mit der sich das Metall in Kontakt befindet.

Diese Legierungsstufe ist notwendig, wenn man ein unbeabsichtigtes Brechen der Scheibe während der Behandlung verhindern will und um zu ermöglichen daß zwei oder mehr sich schneidende Metalldrähte durch einen Körper aus Halbleitermaterial bewegt werden können. Ohne diese Legierungsstufe und auch ohne die Dickenbeschränkung für die Metallschicht 78 ist die Tendenz des Metalles zum Zusammenballen und zum Erzeugen eines Bruches in der Scheibe wegen der unebenen Oberfläche grci genug, um bei der Herstellung ein ernstliches Froblem zu bilden. Weiter ist nur so viel Metall vorhanden, daß beim Legieren die aufgrund der Oberflächenspannung und der Kapillarität vorhandenen Kräfte nicht ausreichen in irgendeinem der flüssigen Drähte Diskontinuitäten zu verursachen. Die entstehenden planaren Regionen werden daher zusammenhängend sein und die wechselseitig benachbarten Regionen mit n-Leitfähigkeit werden elektrisch voneinander isoliert sein.

Der behandelte Körper 52 wird dann in der Vorrichtung zur Ausführung des thermischen Bewegens angeordnet, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist und die Metalldrähte in den Trögen 76 werden mittels Zonenschmelzen unter Anwendung eines thermischen Gradienten durch den Körper 52 bewegt. Ein thermischer Gradient von etwa 50°C pro cm zwischen der unteren Oberfläche 56, welche die heiße Fläche ist und der Oberfläche 5¹*, welche die kalte

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- Vf -

Fläche ist, hat sich als geeignet erwiesen für einen Temperaturbereich von 700 bis 1350^oC für den Körper. Das Zonenschmelzen wird lange genug ausgeführt, um alle Metalldrähte durch den Körper 52 zu bewegen. Bei Aluminiumdrähten mit Dicken von 20 um, einem thermischen Gradienten von 50°C/cm, einer Temperatur des Körpers von 1100 C, einem Druck von 10 ^J Torr, ist z. B. eine Ofenzeit von 5-15 Minuten erforderlich, um die Drähte durch eine Siliciumscheibe 52 zu bewegen, die die Standardscheibendicke von etwa 0,25 nun hat.

Das allgemeine Konzept des Zonenschmelzens mit einem Temperaturgradienten sowie der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu dem Zonenschmelzverfahren mit Temperaturgradienten und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird auf die folgenden US-PS verwiesen: 3 901 736, 3 898 106, 3 902 925 und 3 899 361.

Nach Beendigung des Zonenschmelzens wird das überschüssige Metall der bewegten Metalldrähte von der Oberfläche 56 entfernt und zwar vorzugsweise durch selektives chemisches Ätzen. Die Oberflächen 5¹J und 56 werden selektiv geätzt und poliert und der dabei erhaltene Körper 52 ist in den Figuren 2 und 6 gezeigt.

Das thermische Bewegen der Metalldrähte von den Trögen 76 durch den Körper 52 führt zur Bildung von drei Gruppen im Abstand voneinander angeordneter Planarregionen 60, 62 und 64, die jede einen zweiten und dem des Körpers 52 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps haben. Die Regionen 60, 62 und 64 sind so angeordnet, daß die Konfiguration 50 der Figur 2 entsteht. Jede Region 60, 62 und 64 besteht aus rekri3tallisiertem Material des Körpers 52 und dieses enthält in fester Löslichkeit das Metall in einer Konzentration, die ausreicht_/ den erwünschten Leitfähigkeitstyp und spezifischen Widerstand zu erhalten. Die Konzentration an Verunreinigungsmetall wird durch die Art des durch dfen Körper 52 bewegten Verunreinigungsmetalles, das Halbleitermaterial sowie

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die Temperatur, bei der das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten ausgeführt wird, bestimmt. Es gibt geeignete graphische Darstellungen, welche die feste Löslichkeit verschiedener Verunreinigungsmetalle in verschiedenen Halbleitermaterialien zeigen. Im besonderen wird auf das Buch von A.S. Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices" Seite 45, Figur 3.7 verwiesen, wenn man die erforderliche Temperatur zum Bewegen einer Schmelze verschiedener Verunreinigungsmetalle durch einen festen Körper aus Silizium bestimmen will.

Die Regionen 6 0, 6 2 und 64 weisen eine im wesentlichen konstante gleichmäßige Verunreinigungskonzentration durch die gesamte Region hindurch auf, da der Temperaturgradient in dem Körper und die Abhängigkeit der festen Löslichkeit der Metalle von der Temperatur nicht so groß sind, daß sie die Materialzusammensetzung merklich beeinflußen. Die Dicke jeder der Regionen 60, 62 und 64 ist im wesentlichen konstant für die gesamte Region. Die periphere Oberfläche jeder der Planarregionen 60, 62 und 64 umfaßt teilweise die obere Oberfläche 54 und die untere Oberfläche 56.

Außerdem ist der Körper 52 in viele im Abstand voneinander angeordnete Regionen 66 unterteilt, welche die gleiche oder erste Leitfähigkeitsart haben wie der Körper 52. Die p-n-übergänge 80, 82 und 84 werden durch die aneinanderstoßenden Oberflächen jedes Paares benachbarter Regionen 60 und 66, 62 und 66 sowie 64 und 66 entgegengesetzter Leitfähigkeitsart gebildet. Jeder der p-n-Ubergänge 80,82 und 84 ist sehr abrupt und bildet einen Stufenübergang. Die Dicke jedes der p-n-übergänge 80,82 und 84 beträgt etwa 18 um. Bei einer Behandlungstemperatur von 900⁰C wird das Profil jedes Überganges 80, 82 und 84 auf etwa 0,3/Um verringert.

Die Planarregionen 60, 62 und 64 können einen spezifischen Widerstand aufweisen, der von dem des Körpers 10 verschieden ist. Dies

ein
wird erreicht durch / Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten, bei dem das Material der Metallschicht 78 Regionen 60, 62 und rekristallisierten Materials des Körpers 52 bildet, das in fester Löslichkeit das Metall der Schicht 78 enthält und den ge-

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nannten Regionen des Körpers 52 die gleiche n-Leitfähigkeit, aber einen anderen spezifischen Widerstand verleiht.

Die Konfiguration 50 kann aber auch, wie in Figur 7 veranschaulicht, durch Bewegen von Metalldrähten 78 gebildet werden, die mit dem Material der ungeätzten Oberflächenteile der Oberfläche 54 legiert sind, mit denen sie sich im Kontakt befinden. In diesem Falle tritt jedoch ein seitliches Fließen an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 68 und der Oberfläche 54 in unmittelbarer Nähe des Fensters 74 ein.

In gleicher Weise kann man das neue Legierungsverfahren zum Bewegen von Drähten einsetzen, die sich schneiden oder nicht schneiden, um planare Orientierungen der Oberfläche 54 des Körpers oder der Scheibe 52 in der (100)- und (110)-Ebene zu erhalten. Die jeweiligen stabilen Drahtrichtungen sind in der obigen Tabelle angegeben. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß das selektive Ätzen der Oberfläche 54 notwendig ist, wenn man Metalldrähte auf einer Oberfläche mit einer planaren Kristallorientierung von (110) mit einer <1Ϊ0>-Drahtrichtung bewegen will.

Als eine weitere Ausführungsform der Erfindung können die Regionen 66 auch vom Boden des Körpers oder der Scheibe 52 aus elektrisch isoliert werden. Wie in Figur 8 veranschaulicht, wird eine Region 90 des gleichen Leitfähigkeitstyps wie dem der Regionen 60, 62 und 64 in geeigneter Weise gebildet, um die erforderliche elektrische Isolation zu schaffen. Die Region 90 kann durch Diffundieren eines geeigneten Dotierungsmittels durch die untere Oberfläche 56 des Körpers 52 erfolgen oder durch epitaxiales Aufwachsen einer geeigneten Halbleitermaterialschicht, welche die Region 90 bildet und mittels ähnlicher Verfahren. Durch die benachbarten aneinanderstoßenden Oberflächen der Materialien entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps der jeweiligen Regionen und der Region 90 wird ein p-n-übergang 92 gebildet. Dieser p-n-übergang 92 ist integral mit den jeweiligen p-n-übergängen 80 und 82, sowie mit dem p-n-übergang 84 (vgl. Figur 2) und er schafft die elektrische Isolation für jede

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regionale Zelle 66. Die Region 90 kann vor oder nach dem thermischen Zonenschmelzen gebildet werden.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Herstellung von Planarregionen beschrieben wurde, können durch seine Anwendung auch Regionen anderer geometrischer Konfigurationen hergestellt werden. So kann man z. B. scheibenartige Metallschichten auf der Oberfläche 5¹J anordnen. Die Wanderung einer Schmelze derart gestalteter Schichten führt zu säulenähnlichen Regionen rekristallisierten Halbleitermaterials im Körper 52. Während man in der Vergangenheit mit Hilfe von Thermokompressionsverbinden und ähnlichen Verfahren das Metall mit der Oberfläche legierte, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die genaue Ausrichtung durch Anwenden photolithografischer Techniken gefolgt von selektivem Ätzen und der Metallaufbringung sowie der Legierungsstufe gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

/ IJ Verfahren zum Bewegen einer Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial durch einen festen Körper aus dem Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

(a) Auswählen eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, wobei der Körper weiter eine vorbestimmte Leitfähigkeit s art , einen vorbestimmten spezifischen Widerstand, eine bevorzugte kubische Diamantkristallstruktur, eine bevorzugte,planare Kristallorientierung für mindestens eine der Hauptoberflächen, eine Vertikalachse, die im wesentlichen senkrecht zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen verläuft und eine erste bevorzugste Kristallachse aufweist, die im wesentlichen parallel zu der Vertikalachse und im wesentlichen senkrecht zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen verläuft,

(b) Aufdampfen einer Metallschicht auf die Hauptoberflache mit einer bevorzugten planaren Kristallorientierung, wobei die Schicht eine bevorzugte Breite und eine bevorzugte Dicke aufweist und so orientiert ist, daß sie mindestens einen Metalldraht mit einer Längsachse bildet, die im wesentlichen parallel mit einer zweiten bevorzugten Kristallachse der Kristallstruktur des Halbleitermaterials des Körpers ausgerichtet ist,

(c) Erhitzen von Körper und Metallschicht auf eine erhöhte Temperatur für eine vorbeatimmte Zeitdauer, die ausreicht, um das Metall mit mindestens dem Teil des Halbleitermaterials der Hauptoberfläche des Körpers zu legieren, mit dem es in Verbindung steht,

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ORIGINAL INSPECTED

(d) Erhitzen des Körpers und des anlegierten Metalldrahtes auf eine vorbestimmte erhöhte Temperatur, die ausreicht, eine Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial auf der Oberfläche des Körpers zu bilden,

(e) Einrichten eines Temperaturgradienten im wesentlichen parallel zur Vertikalachse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur und

(f) Bewegen der Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial durch den festen Körper im wesentlichen ausgerichtet mit der ersten Achse der Kristallstruktur bis zu einer vorbestimmten Tiefe unterhalb der Hauptoberfläche, um eine planare Region rekristallisierten Materials des Körpers zu bilden, der in fester Löslichkeit das Metall der Schicht enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch die zusätzliche Stufe des Bildens einer Maske auf der Hauptoberfläche mit einer bevorzugten planaren
Kristallorientierung vor dem Aufbringen der Metallschicht auf die Überfläche des Körpers, um eine bevorzugte geometrische Konfiguration für die Metallschicht zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeic hnet, daß die bevorzugte planare Kristallorientierung ausgewählt ist aus (111), (100) und (110).

^. Verfahren nach Anspruch 3> gekennzeichnet
durch die weitere Stufe des selektiven Ätzens der
Hauptoberfläche des Körpers nach dem Bilden der Maske und vor dem Aufbringen der Metallschicht, um mindestens eine
trogartige Vertiefung bis zu einer vorbestimmten Tiefe in dieser Hauptoberfläche zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die bevorzugte geometrische Konfiguration mindestens zwei einander schneidende Linien definiert, deren eine im wesentlichen parallel mit der ersten bevorzugten Kristallachse orientiert ist und die zweite Linie im wesentlichen parallel mit einer dritten bevorzugten Kristallachse des Materials des Körpers orientiert ist.

Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weitere Verfahrensstufe des Bildens einer planaren Region mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflä-

und
chen in dem Körper/ die so orientiert ist, daß die beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen im wesentlichen parallel zu den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Körpers verlaufen, wobei eine der gegenüberliegenden Hauptoberflächen der planaren Region mit der einen gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Körpers zusammenfällt und von gleicher Ausdehnung ist und jede Schmelze eine vorbestimmte Distanz durch den Körper bewegt wird, um mindestens die andere gegenüberliegende Hauptoberfläche der Planarregion zu schneiden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Planarregionen einen zweiten und dem des Körpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat und daß die einander schneidenden Planarregionen den Körper in viele Halbleitermaterialregionen des gleichen Leitfähigkeitstyps wie dem des Körpers zerteilen und daß jede dieeer Regionen elektrisch von den anderen isoliert ist.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des Körpers ausgewählt ist aus Silicium, Siliciumcarbid, Germanium und Galliumarsenid.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial Silicium mit η-Leitfähigkeit und das Metall des Drahtes Aluminium 13t.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Temperaturgradient im Bereich von 50 bi3 200⁰C pro cm liegt und die Bewegung der Metalldrähte bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 1 35O°C ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die bevorzugte planare Kristallorientierung die (100), die erste bevorzugte Kristallachse die <100> und die zweite bevorzugte Kristallachse mindestens eine aus <011>'und <011i^>- ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die bevorzugte planare Kristallorientierung, die (111), die erste bevorzugte Kristallachse die <111>, die zweite bevorzugte Kristallachse irgendeine parallel zur (lll)-Ebene verlaufende Kristallebene und die dritte bevorzugte Kristallachse irgendeine der verbleibenden, im wesentlichen parallel zu der (Hl)-Ebene verlaufenden Kristallachsen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptoberfläche eine bevorzugte planare Kristallorientierung von (HO), die erste bevorzugte Kristallachse die <110> und die zweite bevorzugte Kristallachse die <ΐΐθ> ist.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die geometrische Konfiguration ein Sechseck ist.

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15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium mit η-Leitfähigkeit, die Planarregionen je p-Leitfähigkeit haben und das Metall der Schicht Aluminium ist.

16. Verfahren nach Anspruch I¹I, gekennzeichnet durch die zusätzliche Verfahrensstufe des Bildens einer Planarregion mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen in dem Körper /die so orientiert ist, daß die beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Planarregion im wesentlichen parallel zu den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Körpers verlaufen, wobei eine der gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Planarregion mit einer der gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Körpers zusammenfällt und von gleicher Ausdehnung ist und jede Schmelze für eine vorbestimmte Distanz durch den Körper bewegt wird, um mindestens die andere gegenüberliegende Hauptoberfläche der Planarregion zu schneiden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Planarregionen einen zweiten und gegenüber dem des Körpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hat und daß die einander schneidenden Planarregionen den Körper in viele Halbleitermaterialregionen des gleichen Leitfähigkeitstyps wie dem des Körpers zerteilen, wobei jede dieser Regionen elektrisch von den anderen isoliert ist.

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