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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Wärmeübertragungsfilm,
der auf alle Arten von Halbleitern anwendbar ist, wie beispielsweise auf bipolare
Halbleiter, MOS-Halbleiter (Metall-Oxid-Halbleiter), I2L-Halbleiter (integrierte
Injektions-Logik-Halbleiter) und Solarzellen.
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Da die Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung temperaturempfindlich
sind, muß dem Kühlverhalten der gesamten Halbleitervorrichtung Beachtung geschenkt
werden, wenn diese zusammengebaut oder integriert wird, damit deren volle Leistungsfähigkeit
erreicht und deren Lebensdauer sowie Zuverlässigkeit gesteigert wird. Zur Erhöhung
des Kühleffektes werden Hochleistungs-Halbleiterbauelemente, beispielsweise Leistungstransistoren,
lineare integrierte Schaltungen für Niederfrequenzanwendungen, integrierte Spannungsregler
und dgl., im allgemeinen mit einer Wärmesenke versehen, wie diese in Fig. 1 gezeigt
ist und die aus Kühlrippen R besteht, an denen die in einer Halterung H enthaltene
Halbleitervorrichtung zu befestigen ist.
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Wenn in diesem Fall eine elektrische Isolation zwischen der Halbleitervorrichtung
und den Kühlrippen R benötigt wird, müssen elektrische Isolatoren, wie beispielsweise
Mylarschichten, isolierende Unterlagscheiben und dgl. zwischen die Halterung H und
die Kühlrippe R gelegt werden. Jedoch hat ein elektrischer Isolator eine geringe
Wärmeleitfähigkeit, und große Verbesserungen in der Kühlwirkung sind nicht zu erwarten,
wenn dieser zum elektrischen Isolieren der Halterung H und der Kühlrippe R benutzt
wird. Wenn ein derartiger elektrischer Isolator nicht eingesetzt wird, müssen die
gesamten Kühlrippen R elektrisch isoliert werden.
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Im Hinblick auf die jüngste Tendenz, verschiedene integrierte Schaltungen
in einem hohen Grade zu integrieren, wird das Kühlen der Halbleitervorrichtung nicht
nur in den oben erläuterten Hochleistungs-Halbleitern, sondern auch in anderen Halbleitervorrichtungen
benötigt. Wenn die Kühleigenschaften der Halbleitervorrichtungen verbessert werden
könnten, so wäre es möglich, den Integrationsgrad einer integrierten Schaltung in
starkem Ausmaß zu steigern.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung
mit hervorragenden Kühleigenschaften und dennoch hoher elektrischer Isolation zwischen
einem Halbleiterkörper oder -chip und Kühlrippen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen
Merkmale gelöst.
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Die Erfindung sieht somit eine Halbleitervorrichtung vor, die einen
kristallinen Berylliumoxidfilm aufweist, der hervorragende elektrische Eigenschaften
als ein Isolierfilm besitzt, um eine hohe elektrische Isolation und gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften
beizubehalten, damit eine Wärmeübertragung zwischen einem Halbleiterkörper und einer
Wärmesenke möglich ist.
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Bei der Erfindung ist es nicht erforderlich, die gesamten Kühlrippen
zu isolieren; die Qualität der Halbleitervorrichtung ist auch bei langem Einsatz
hervorragend und ihre Eigenschaften sind verbessert.
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Weiterhin ermöglicht die Erfindung eine Halbleitervorrichtung, die
mit geringem Aufwand hergestellt werden kann, indem ein billiges Substrat verwendet
wird, beispielsweise Glas und dgl., und sie ist in vorteilhafter Weise für eine
Solarbatterie anwendbar.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine Halbleitervorrichtung, -die mit
einem Berylliumoxidfilm ausgestattet ist, der elektrisch einen Halbleiterkörper
und eine Wärmesenke isoliert und die im Halbleiterkörper erzeugte Wärme zur Wärmesenke
überträgt, um die Halbleitervorrichtung zu kühlen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische
Darstellung einer Wärmesenke, auf der eine Halbleitervorrichtung befestigt ist;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer Halbleitervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel
- der Erfindung; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Gerätes zum Erzeugen
einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung; Fig. 4 eine Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops,
die den Aufbau eines Berylliumoxidfilmes zeigt, der durch das in Fig. 3 dargestellte
Gerät hergestellt ist; Fig. 5 eine Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops, die
das reflektierte hochenergetische Elektronenbeugungsmuster (RHEED-Muster) eines
Berylliumoxidfilmes zeigt, der durch das in Fig. 3 dargestellte Gerät hergestellt
ist; Fig. 6 ein Röntgenstrahlbeugungsmuster für einen Berylliumoxidfilm, der durch
das in Fig. 3 dargestellte Gerät hergestellt ist; Fig. 7 ein schematisches Diagramm
zur Erläuterung eines Prozesses zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 8 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung
eines Prozesses
zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach
einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 9 einen Schnitt einer Halbleitervorrichtung
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 10 eine Aufnahme
eines Rasterelektronenmikroskops mit einem Abschnitt einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
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Im folgenden wird eine Halbleitervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Zunächst wird auf einen
kristallinen Berylliumoxidfilm näher eingegangen, der ein wesentliches Merkmal der
Erfindung darstellt.
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Berylliumoxid (BeO) kristallisiert in einer hexagonalen Wurtzit-Struktur
und hat hervorragende isolierende Eigenschaften infolge seines großen verbotenen
Bandabstandes von 11,2 eV und seines spezifischen Widerstandes von 101°Jb~cm. Zusätzlich
liegt die Dielektrizitätskonstante von BeO zwischen 6 und 8, was im Vergleich mit
Al203 relativ klein ist. Weiterhin hat BeO eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist
chemisch stabil. Demgemäß wird es verbreitet beispielsweise in elektrischen Teilen.
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für Mikrowellenanwendungen, als ein Innenleiter für Hochtemperatur-Brennkammern,
als ein Moderator oder Reflektor in Kernreaktoren und als ein Fenster einer Röntgenstrahiröhre
verwendet.
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BeO hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von 25700c und kann schwierig
in einen denen Film geformt werden. Bisher diskutierte Verfahren zum Herstellen
von Berylliumoxidschichten umfassen ein Heißpressen von feinem Berylliumoxidpulver
oder ein Aufwachsen von monokristallinem Berylliumoxid durch die Flußmethode mit
Molybdänoxid (mol3) als Flußmittel. Die so hergestellten Berylliumoxidschichten
sind bestenfalls monokristalline
Chips und werden bisher industriell
tatsächlich noch nicht verwendet. Wie bereits oben erläutert wurde, hat BeO eine
hohe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Isoliereigenschaften.
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BeO würde daher ein attraktives thermisches und elektrisches Isoliermaterial
sein. Berylliumoxid ist auch sehr hart (Mohs'sche Härte: 9). Somit sollte eine Beschichtung
aus Berylliumoxid elektrische oder elektronische Teile liefern, die eine gutesWärmeabfuhr
und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand haben. Die Berylliumoxidschichten
wären auch ein attraktiver Isolierfilm für ein Halbleiterbauelement, wenn der kristalline
Zustand der Berylliumoxidschichten in vorteilhafter Weise gesteuert und der Berylliumoxidfilm
mit hervorragendem kristallinem Zustand hergestellt werden könnte.
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Die Erfinder haben die hervorragenden Eigenschaften von BeO ausgenutzt
und ausgedehnte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um den Berylliumoxidfilm
zu erhalten. Als Ergebnis gelang es den Erfindern, den Berylliumoxidfilm mit hervorragendem
kristallinem Zustand durch einen Prozeß herzustellen, bei dem teilweise ionisierter
Dampf metallischen Berylliums auf ein Substrat zusammen mit Sauerstoff (°2) auftrifft;
die Erfinder haben so diesen Berylliumoxidfilm und das Verfahren zu dessen Herstellung
entwickelt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit hervorragenden
Kühleigenschaften, die mit dem Berylliumoxidfilm ausgestattet ist, der durch das
von den Erfindern entwickelte Verfahren hergestellt ist. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Fig. 2 zeigt einen IL-Halbleiter, der mittels der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung hergestellt ist. Ein Halbleiter-+-leitende vergrabene Schicht
(burried layer) 1a, eine n -leitende epitaktische Schicht ib, p+-leitende Diffusionsschichten
1c, n+-leitende Diffusionsschichten
1d und Sio-Filme 2. Diese Halbleiterelemente
werden durch den herkömmlichen Prozess gefertigt, bei dem ein SiO2-Film hergestellt
wird, bei dem mittels eines Photolackes der SiO2-Film photogeätzt wird, bei dem
Dotierstoffe eindiffundiert werden und bei dem eine epitaktische Schicht aufwächst,
wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Zusätzlich werden Al-Elektroden 3, 4 und 5 in Fenstern
des SiO2-Filmes gebildet, die als Injektor, Basis bzw. Kollektor dienen. Weiterhin
wird der Halbleiterkörper 1 mit einem kristallinen Berylliumoxidfilm 41 versehen,
der auf einer Unterseite des Halbleiterkörpers 1 aufgetragen wird.
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Das Auftragen oder Abscheiden des BeO-Filmes erfolgt mittels eines
in Fig. 3 gezeigten Gerätes auf die folgende Weise: Das in Fig. 3 dargestellte Gerät
umfaßt einen geschlossenen Tiegel 21 mit wenigstens einer öffnung oder Düse 22,
die in diesem Beispiel einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 2,0 mm besitzt. Die
Dicke der DUse 22 in der axialen Richtung ist so klein als möglich und vorzugsweise
dünner als der Durchmesser der Düse 22, so daß das Geometrieverhältnis kleiner als
1 wird. Der Tiegel 21 enthält metallisches Beryllium 23, das in den Tiegel 21 in
der Form von Blättchen oder Kugeln bzw.
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Pellets eiñgefthrt wird.
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Der Tiegel 21 ist von einer Heizeinrichtung 24 umgeben. In dem in
Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel arbeitet die Heizeinrichtung 24 durch Elektronenbeschuß
und umfaßt eine Wendel zum Emittieren von Elektronen. Der Tiegel 21 wird auf einem
positiven Potential bezüglich der Wendel mittels einer (nicht gezeigten) Strom-
bzw. Spannungsquelle gehalten, um dadurch die von der Wendel emittierten Elektronen
zu beschleunigen, so daß sie auf die Tiegeloberfläche mit hoher Geschwindigkeit
auftreffen, wodurch der Tiegel 21 erwärmt wird.
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Wärmeschirmplatten 25 umgeben die Heizeinrichtung 24. In einer
möglichen
anderen Anordnung zum Erwärmen des Tiegels 21 besteht dieser aus einem elektrisch
leitenden Material und enthält Anschlüsse an seinen oberen und unteren Teilen; der
Tiegel 21 wird dann erwärmt1 indem ein hoher Strom (bei geringer Spannung) durch
den Tiegel 21 geschickt wird, so daß der gesamte Tiegel 21 erwärmt wird. Als weitere
Möglichkeit kann der Tiegel 21 durch Strahlungsbeheizen erwärmt werden, wobei eine
Heizeinrichtung um den Tiegel 21 angeordnet wird. Eine Kombination von mehr als
einer dieser Heizmethoden kann benutzt werden.
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Eine Ionisationskammer 26 ist oberhalb des Tiegels 21 vorgesehen.
Um die Ionisationskammer 26 wird eine Anordnung zum Erzeugen ionisierender Elektronen
angebracht, die einen in einen Schirm 29 eingeschlossenen Heizfaden 28 und eine
netzförmige Anode 27 umfaßt, die die äußeren Grenzen der Ionisationskammer bildet.
In Draufsicht ist die Anode 27 kreisförmig, obwohl sie auch-jede andere Gestalt
besitzen kann, wie beispielsweise die Form von Polygonen.
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Ein Halter 31 ist vorgesehen, um einen Halbleiterkörper 1 auf der
Unterseite zu halten, von der der BeO-Film aufgetragen wird. Auch ist ein Verschluß
33 vorhanden, damit der Halbleiterkörper 1 von dem Berylliumoxid- und Sauerstoff-Strahlen
abgeschirmt werden kann.
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Weiterhin ist ein Sauerstoff-Zufuhrrohr 35 mit wenigstens einer Düse
36 vorhanden. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Düse 36 in
der Nähe der Düse 22 des Tiegels 21; jedoch kann die Düse 36 auch neben dem Halbleiterkörper
1 vorgesehen werden. Eine ringförmige Beschleunigungselektrode 37, an der ein negatives
Potential bezüglich des Tiegels 21 von einer (nicht gezeigten) Strom- bzw. Spannungsquelle
zum Beschleunigen der ionisierten Be-Dämpfe liegt, kann zwischen der Ionisationskammer
26 und dem Halbleiterkörper 1 angeordnet
werden. Dort ist eine
Photomaske 40 vorhanden, die dicht den Halbleiterkörper 1 berührt oder einen kleinen
freien Raum bezüglich des Halbleiterkörpers 1 beibehält, um die Dampfabscheidung
des BeO-Filmes auf vorbestimmten Teilen des Halbleiterkörpers 1 zu erlauben. Auch
kann eine (nicht gezeigte) Heizeinrichtung vorgesehen werden, damit der Halbleiterkörper
1 auf der richtigen Temperatur gehalten wird, wenn dies erforderlich ist.
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Das gesamte in Fig. 3 gezeigte Gerät ist in einer (nicht gezeigten)
Vakuumkammer zusammen mit dem Halbleiterkörper 1 eingeschlossen, auf dem der Berylliumoxidfilm
herzustellen ist, und die Kammer wird in einen Hochvakuumzustand in der Größenordnung
von wenigstens 133 ~ 10-5 Pa (10-5Torr) evakuiert.
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In diesem Zustand wird Sauerstoff 36a zur Vakuumkammer von der Düse
36 durch das Sauerstoff-Zufuhrrohr 35 gespeist, und der Druck in der Vakuumkammer
wird zwischen 133 e 10 6 Pa (10~6 Torr) und 133 . 10-3Pa 10#3Pa (10-3 Torr) gehalten.
Die Verwendung eines geringeren Sauerstoffdruckes kann zur Bildung des Berylliumoxidfilmes
mit höherer Qualität führen. Jedoch erfordert die Verwendung eines geringeren Sauerstoffdruckes
auch ein Evakuieren der Vakuumkammer auf ein sehr hohes Vakuum vor dem Einführen
des Sauerstoffes und bedingt so eine Verringerung der Geschwindigkeit, mit der der
Film gebildet wird.
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Der Bereich von 1Vakuum10-6 Pa (10-6 Torr) bis 133 ~ 10-3 PA (10-3
Torr) liefert einen praktisch vernünftigen Kompromiß zwischen diesen sich widerstreitenden
Anforderungen.
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Dann wird die Heizeinrichtung 24 betätigt, um den Tiegel 21 zu erwärmen,
damit das in den Tiegel 21 gefüllte metallische Be schmilzt und im Tiegel 21 ein
Dampf 23a des metallischen Be erzeugt wird. #Die Temperatur zum Erwärmen des metallischen
Be wird aufgrund -der Umgebungsbedingungen um den Tiegel 21, insbesondere aufgrund
des Druckes in der Vakuumkammer bestimmt, der durch P/Po) 10 2, vorzugsweise P/Po>
10 4, ausgedrückt
werden kann, wobei P den Dampfdruck des metallischen
Be im Tiegel 21 und Po den Druck im Vakuumbehälter bedeuten.
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Beispielsweise wird der Dampfdruck P bei etwa 665 ~ 10 210#2 Pa (5~10-2
Torr) für die Heiztemperatur von 13000C und bei 133 ' 10 1 Pa (1.10#1 Torr) für
die Heiztemperatur von 13800C gehalten, da der Schmelzpunkt des metallischen Be
12800C beträgt. Entsprechend ist die Heiztemperatur von 1300 bis 14000C ausreichend,
wenn der Druck im Vakuumbehälter 133 ~ 10-6 Pa (10-6 Torr) bis 133 ~ 10-5 Pa (10-5Torr)
beträgt. Um die Filmbildung durch Steigerung des Dampfdruckes P zu beschleunigen,
kann die Heiztemperatur in einem Ausmaß ersteht werden, in dem nicht die Qualität
des herzustellenden BeO-Filmes beeinträchtigt wird.
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Der Dampf 23a des metallischen Be wird von der Düse 22 zur Außenseite
des Tiegels 21 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Tiegel 21 und dem Vakuumbehälter
abgegeben. Der abgegebene oder ausgespritzte Dampf wird mit einer kinetischen Energie
entsprechend der Austrittgeschwindigkeit versehen und zum Halbleiterkörper 1 in
einem Dampfstrom 23b gerichtet.
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Wenn din diesem Fall der Dampf in einen unterkühlten Zustand aufgrund
der adiabatischen Ausdehnung zur Zeit des Ausspritzens aus der Düse 22 gezwungen
wird, indem die Form der Düse 22 und der Druck P und Po geändert werden, so daß
die oben angegebenen Bedingungen erfüllt sind, oder indem die Form der Düse 22 des
Tiegels 21 abgewandelt wird, ist es möglich, den Dampf in Anhäufungen oder Klumpen
umzuwandeln, die große Ansammlungen des Dampfes der Be-Atome oder -Moleküle sind,
die lose durch Van der Waals'sche Kräfte gekoppelt sind. Die Bildung der Klumpen
ermöglicht eine Verbesserung des Ionisationswirkungsgrades in der Ionisationskammer
26, die weiter unten näher erläutert wird, und auch die Herstellung überlegener
Filme auf dem Halbleiterkörper 1.
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Der mit der kinetischen Energie aufgrund des Ausspritzens
aus
dem Tiegel 21 versehene Dampfstrom 23b wird durch die Ionisationskammer 26 geschickt,
wo wenigstens ein Teil des Dampfstromes ionisiert wird. Die Ionisation des Dampfes
23b erfolgt derart, daß von dem Heizfaden 28 emittierte Elektronen bei Erregung
und Erwärmung auf eine Spannung von 100 bis 1000 V beschleunigt werden, die zwischen
dem Heizfaden 28 und der netzförmigen Anode 27 liegt, und dann auf den Dampfstrom
23b auftreffen, der durch die netzförmige Anode 27 verläuft. Wenn der von der Düse
22 herausgespritzte Dampfstrom 23b von metallischem Be in der Form der Klumpen vorliegt,
wird wenigstens eine der jeden Klumpen bildenden Atomgruppen in der Ionisationskammer
26 durch den Elektronenbeschuß ionisiert, um dadurch Klumpenionen zu bilden. Weiterhin
verläuft der von der Düse 36 herausgespritzte Sauerstoff durch die Ionisationskammer
26, wo der Sauerstoff dem Elektronenbeschuß ausgesetzt und teilweise ionisiert wird.
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Die ionisierten Be-Atome und die nicht-ionisierten neutralen Be-Atome
oder die Be-Klumpen und die Klumpenionen werden -während der Sauerstoff in der Strecke
des Dampfstromes 23b eingeschlossen wird - zum Halbleiterkörper 1 als ein Sauerstoffkomplex
gerichtet, und bei offenem Verschluß stößt der Dampfstrom 23b auf die Oberfläche
des Halbleiterkörpers 1 durch öffnungen der Maske 40, um darauf einen BeO-Film 41
zu bilden. In diesem Fall wird - wie dies oben erläutert wurde -ein Teil des auf
das Substrat auftreffenden Be-Dampfstromes 23b beim Durchgang durch die Ionisationskammer
26 ionisiert, und das elektrische Feld der Ionen wirkt auf den Anfangszustand der
Filmbildung ein. D.h., das elektrische Feld der Ionen begünstigt die Bildung von
Keimen für das Kristallwachstum und wirkt auf die Bildung von Inselbereichen ein,
die die Atome in der Mitte der so gebildeten Keime sammeln, was allgemein als Koaleszenz
bezeichnet wird. Weiterhin ist die Ionisation wirksam, um die Reaktion zwischen
Be und Sauerstoff zu fördern und den Film zu bilden, der entsprechend
der
Stöchiometrie in einem hervorragenden kristallinen Zustand ist.
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Bei der Bildung des erfindungsgemäßen BeO-Filmes trifft der BeO-Dampfstrom
23b auf dem Halbleiterkörper 1 mit der zur Zeit des Ausspritzens übertragenen kinetischen
Energie auf. Daher kann eine stark haftfähige Auftragung oder Abscheidung des BeO-Filmes
41 auf dem Halbleiterkörper 1 aufgrund der Implantationsenergie erzielt werden,
die ihrerseits wirksam ist, um zur Steigerung in der Packungsdichte des BeO-Filmes
41 und der Verbesserung des kristallinen Zustandes beizutragen und einen Film hoher
Qualität zu bilden. Die Ionisationsrate des BeO-Dampfstromes 23b kann durch Einstellen
der an der Anode 27 liegenden Beschleunigungsspannung und durch Andern des aus dem
Heizfaden 28 abgesaugten Ionisationsstromes gesteuert werden, um dadurch den kristallinen
Zustand und andere Eigenschaften des aus dem Halbleiterkörper 1 abzuscheidenden
BeO-Filmes zu steuern.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel wird die kinetische Energie des
BeO-Dampfstromes 23b durch Ausspritzen des Dampfes 23a aus dem Tiegel 21 aufgrund
der Druckdifferenz zwischen dem Tiegel 21 und der Vakuumkammer erzeugt. Jedoch sei
darauf hingewiesen, daß der durch den Verlauf durch die Ionisationskammer 26 teilweise
ionisierte Dampf 23b durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden kann, damit
die kinetische Energie gesteuert wird, um dadurch den kristallinen Zustand zu steuern
oder zu verbessern. Wenn beispielsweise eine Beschleunigungsspannung von 0 bis 10
kV, die bezüglich des Tiegels 21 negativ ist, an der Beschleunigungselektrode 37
liegt, dann werden die Teilchen im Dampfstrom 23b, der durch den Verlauf durch die
Ionisationskammer 26 ionisiert ist, beschleunigt und mit der kinetischen Energie
versehen, die wirksam zur Verbesserung oder Steuerung des kristallinen Zustandes
zur Zeit der Bildung des Filmes einwirkt, und der BeO-Film 41 kann mit hoher Qualität
erzeugt
werden. Wenn es erforderlich ist, den BeO-Film 41 mit einem extrem hervorragenden
kristallinen Zustand zu bilden, dann muß der Halbleiterkörper 1 in einem gewissen
Ausmaß erwärmt werden. Die Aufheiztemperatur des Halbleiterkörpers 1 kann in diesem
Fall etwa 2000C oder weniger als 4000C betragen. Diese Temperatur ist merklich geringer
als die Temperatur, die zur thermischen Diffusion zu der Zeit erforderlich ist,
wenn die Halbleiterelemente auf dem Halbleiterkörper 1 gebildet werden. Daher stört
sich nicht das Fremdatom-Konzentrationsprofil der Halbleiterelemente.
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Auf der Unterseite des auf die Rückseite des Halbleiterkörpers 1 nach
dem oben beschriebenen Verfahren aufgetragenen BeO-Filmes wird durch Dampfabscheidung
ein Aluminiumfilm 51 auf getragen, der als Wärmesenke wirkt, wie dies in Fig. 2
gezeigt ist. Wenn der Film 51 mit einer Halterung verbunden wird, dann wird die
durch den Halbleiterkörper 1 erzeugte Wärme auf die Halterung über den BeO-Film
41 und die Wärmesenke 51 übertragen, wo die Wärme abgestrahlt wird. In Hochleitsungs-Halbleitern,
die viel Wärme erzeugen, kann die Halterung an einer Kühlrippe einer äußeren Wärmesenke
befestigt werden, um eine wirksame Wärmeabstrahlung zu erzielen.
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Fig. 10 zeigt eine Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops mit einem
Schnitt einer Siliciumschicht einer Halbleitervorrichtung, mit dem auf die Unterseite
der Siliciumschicht aufgetragenen BeO-Film und dem Al-Film.
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Der kristalline Zustand des BeO-Filmes kann durch die Versuchsergebnisse
erkannt werden, die in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt sind. Um den kristallinen Zustand
des BeO-Filmes zu bewerten, wird der BeO-Film auf einem Glassubstrat durch das in
Fig. 3 gezeigte Gerät abgeschieden. Fig. 4 zeigt eine Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop
des so erhaltenen BeO-Filmes. In Fig. 5 ist ein reflektierendes hochenergetisches
Elektronenbeugungsmuster
(RHEED-Muster) des BeO-Filmes gezeigt, der epitaktisch auf die (0001)-Ebene eines
monokristallinen Saphirsubstrates unter den gleichen Bedingungen aufgewachsen ist,
wie dies oben erläutert wurde. Da in Fig. 5 gezeigte RHEED-Muster ist etwas verschwommen,
da der BeO-Film einen extrem hohen Oberflächenwiderstand besitzt und der auf den
BeO-Film eingestrahlte Elektronenstrahl auf dessen Oberfläche geladen ist. Jedoch
ist offensichtlich, daß der BeO-Film epitaktisch aufgewachsen ist, um durch die
C-Achse des Substrates eingestellt zu sein. Fig. 6 zeigt ein Röntgenstrahlbeugungsmuster
des BeO-Filmes, der auf einem Einkristall-Silicium-Substrat durch das in Fig. 3
gezeigte Gerät aufgetragen ist. Wie aus den Fig. 4, 5 und 6 folgt, umfaßt der durch
das oben erläuterte Verfahren hergestellte BeO-Film stengelartige Strukturen, die
einer hexagonalen Kristallstruktur eigen sind und vorzugsweise zur C-Achse ausgerichtet
sind.
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Wie oben erläutert wurde, hat der BeO-Film hervorragende Wärmeleitfähigkeitseigenschaften,
und auch der zur C-Achse ausgerichtete BeO-Film hat anisotrope Wärmeleitfähigkeitseigenschaften.
Dies kann durch die Messung der anisotropen Wärmeleitfähigkeiten Kpß und Kp* des
Beo-Filmes verdeutlicht werden. der Wert Kph stellt den Wärmefluß parallel zur C-Achse
des BeO-Filmes dar, und der Wert K# gibt den Wärmefluß ph senkrecht zur C-Achse
des BeO-Filmes an, und diese Werte betragen Kph~ 2,6 W/cm . °Cbzw. K 0,6 W/cm C
°C bei Raumtemperatur. Es ist ersichtlich, daß die Wärmeleitfähigkeit entlang der
C-Achse des BeO-Filmes ungefähr 4,3 mal höher als diejenige senkrecht zur C-Achse
des BeO-Filmes ist. Wenn demgemäß der BeO-Film entlang der Wärmestrahlungsrichtung
des Halbleiterkörpers abgeschieden wird, so daß er zur C-Achse ausgerichtet ist,
dann kann der Kühleffekt merklich verbessert werden. Im BeO-Film sind die Temperaturkennlinien
der Wärmeleitfähigkeiten ph und K lh proportional zur Temperatur T 2, und es treten
einige Gitterdefekte auf, die eine Phononenstreuung
verursachen.
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Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Halbleitervorrichtung
gezeigt, die hergestellt wird durch Auftragen des BeO-Filmes auf dem Halbleiterkörper
mit den zuvor gefertigten Halbleiterelementen und durch anschließendes Auftragen
des mit der Wärmesenke verträglichen Substrates auf den BeO-Film gemäß dem in Fig.
7 gezeigten Verfahren. Jedoch sei bemerkt, daß das Herstellungsverfahren zum Herstellen
der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung nicht auf den in Fig. 7 gezeigten Prozeß
beschränkt ist; vielmehr kann die Halbleitervorrichtung auch durch den in Fig. 8
gezeigten Prozeß hergestellt werden.
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Der in Fig. 8 dargestellte Prozeß zum Herstellen der Halbleitervorrichtung
umfaßt ein Auftragen eines BeO-Filmes 41 auf einem Substrat 61 und ein kristallines
Wachsen von Si auf dem BeO-Film durch den reaktiven ionisierten Klumpenstrahl-Aufwachsprozeß
wie im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel, um dadurch einen Halbleiterkörper
1 zu fertigen. Wie oben erläutert wurde, ist der BeO-Film 41 vorzugsweise ausgerichtet.
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Wenn so das Si auf dem BeO-Film 41 aufgetragen oder abgeschieden wird,
der auf dem Substrat 61 durch ionisierte Klumpenionenstrahl-Abscheidung gebildet
ist, kann polykristallines Si bei einer niederen Substrattemperatur aufwachsen,
indem geeignete Bedingungen für die Dampfabscheidung gewählt werden.
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Das Si kann epitaktisch auf dem BeO-Film 41 in der gleichen Weise
wie das Kristallwachstum von Silicium auf Saphir (SOS) aufwachsen, das durch die
C-Achse einzustellen ist. Auf diese Weise kann die gleiche Halbleitervorrichtung
wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel gefertigt werden.
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Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Halbleitervorrichtung nach einem
anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in Fig.
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9 dargestellte Halbleitervorrichtung umfaßt ein Substrat 61,
das
aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Glas, Stahl und dgl. bestehen
kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind die thermischen Eigenschaften des Substrates
nicht von Bedeutung. Das Substrat 61 ist mit einem BeO-Film 41 beschichtet,- und
ein Halbleiterkörper 1 ist auf einem Teil des Substrates 61 durch Kristallwachstum
gebildet. Eine Aluminiumplatte ist parallel und in enger Nähe zum Halbleiterkörper
1 vorgesehen und wirkt als eine Wärmesenke 51. Mit der Halbleitervorrichtung, bei
der der Halbleiterkörper 1 und die Wärmesenke 51 in paralleler Beziehung auf dem
gleichen Substrat vorgesehen sind, ist es möglich, einen ausreichenden Kühleffekt
zu erzielen, selbst wenn das Substrat 61 aus einem Material besteht, das in der
Wärmeleitfähigkeit unterlegen ist.
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Somit kann das Substrat 61 aus einem billigen Material hergestellt
werden.
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Der BeO-Film hat die Vorzugsausrichtung zur C-Achse auf einem amorphem
Substrat, und das Ausmaß oder der Grad der Vorzugsausrichtung kann durch Andern
der Herstellungsbedingungen gesteuert werden. Weiterhin ist es einfach, die Dicke
des BeO-Filmes zu steuern und den BeO-Film mit der gewünschten Dicke herzustellen.
Die Isoliereigenschaften des BeO-Filmes sind befriedigend, selbst wenn er dünn ist,
was auf seinem extrem hohen spezifischen Widerstand von 1013#. cm beruht.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine polykristalline
Solarzelle durch das oben beschriebene Verfahren herzustellen. In diesem Fall ist
der auf dem BeO-Film aufzuwachsende Siliciumkristall vorzugsweise von stengelartiger
Struktur, die dicker als 10 pm im Durchmesser in ihren Teilchen ist. Mit der vorliegenden
Erfindung kann diese Anforderung leicht erfüllt werden, da der stark ausgerichtete
BeO-Film hergestellt werden kann. Entsprechend kann ein hoher photoelektrischer
Umsetzungs-Wirkungsgrad erzielt werden, selbst wenn die Solarzelle aus polykristallinem
Silicium besteht.
Im allgemeinen müssen in einer polykristallinen
Silicium-Solarzelle die Anteile von Fe, Cu, C und Al kleiner als eine vorbestimmte
Menge sein. Sonst kann der photoelektrische Umsetzungs-Wirkungsgrad von mehr als
10% nicht erreicht werden. D.h., wenn das Silicium mehr als 105 cm 3 an Fe, 5 »
1015 cm 3 an Cu, 2 ~ 1017 cm 3 an C und 3 ~ i017 cm an Al enthält, dann ist der
photoelektrische Umsetzungs-Wirkungsgrad der Solarzelle merklich verringert. Jedoch
wirkt bei der vorliegenden Erfindung der BeO-Film als ein Pufferfilm, der verhindert,
daß das Substratmaterial in den Siliciumkristall diffundiert. Daher liegt keine
Abnahme im photoelektrischen Umsetzungs-Wirkungsgrad vor, und es tritt auch keine
Änderung in den Eigenschaften der Solarzelle aufgrund eines Temperaturanstieges
auf; diese behält ihre Anfangseigenschaften, da der BeO-Film hervorragende Wärmeleitungseigenschaften
besitzt und.
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die in der Solarzelle erzeugte Wärme durch den BeO-Film abgestrahlt
wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß der BeO-Film nicht notwendig auf der
Unterseite des Halbleiterkörpers durch den Ionenstrahl-Abscheidungsprozeß mit ionisierten
Klumpen bei der Erfindung abgeschieden wird. Der thermisch mit der vorbestimmten
Wärmesenke verbundene BeO-Film kann mit dem Halbleiterkörper oder den Kühlrippen
des Halbleiterkörpers verbunden sein. Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung
herzustellen, die hervorragende Kühleigenschaften besitzt und dennoch mit einer
hohen elektrischen Isolation zwischen dem Halbleiterkörper und Kühlrippen ausgestattet
ist, die die Notwendigkeit eines Isol-ierens der gesamten Kühlrippen ausschließt.
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Zusätzlich ist der BeO-Film stark zur C-Achse ausgerichtet.
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Wenn somit die Halbleiterschicht auf dem zur C-Achse ausgerichteten
BeO-Film aufwächst, ist es möglich, die polykristalline Halbleiterschicht oder eine
monokristalline Halbleiterschicht
abhängig von den Aufwachsbedingungen
herzustellen, mit denen die Halbleiterelemente gebildet werden. Weiterhin kann das
Substrat, auf dem der BeO-Film aufgetragen wird, aus billigen Materialien, wie beispielsweise
aus Glas, bestehen, was es ermöglicht, die Halbleitervorrichtung mit geringem Aufwand
zu fertigen. Wenn der Halbleiterkörper und die Wärmesenke so angeordnet sind, daß
die Wärmeübertragung in der Richtung der C-Achse des BeO-Filmes erfolgt, dann kann
der überlegene Kühleffekt erzielt werden. Da das Substrat der erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung aus jedem geeigneten Material bestehen kann, ist es möglich,
eine Solarzelle zu fertigen, die billig ist, die den BeO-Film enthält, die die Diffusion
vom Substrat zum Siliciumkristall verhindert, und die frei ist von einer Abnahme
ihrer Leistungsfähigkeit.