NL8500233A

NL8500233A - Eenkristal-halfgeleiderinrichtingen en werkwijze voor het maken daarvan.

Info

Publication number: NL8500233A
Application number: NL8500233A
Authority: NL
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1985-01-28
Publication date: 1985-08-16
Also published as: GB2153252A; US4564403A; GB8501876D0; DE3502778A1; JPS60180113A; GB2153252B

Description

sl * B Br/SE/Sony-1677 9

C

\ \ t ( i t "Eénkristal-halfgeleiderinrichtingen en werkwijze voor \ het maken daarvan”.

*

• V

-1-

De uitvinding heeft betrekking op halfgelei-derinrichtingen, en vooral op grote ëénkristal-half-geleiderinrichtingen en werkwijze voor het maken daarvan.

5 Het gebruik van een energetische stralenbundel voor het doen groeien van een groot éënkristal uit een laag polykristallijn materiaal op een substraat is reeds voorgesteld. Bij het aftasten van het substraat door de stralenbundel zal de laag smelten en vervolgens 10 bij afkoelen stollen tot een éënkristal, althans in principe.

Een van de voorwaarden voor het omzetten van de polykristallijne laag tot een éënkristal is het verschaffen van een kristalkiem, d.w.z. een éënkristal 15 dat in kontakt met de gesmolten zone zorgt voor stolling daarvan tot een éënkristal. De tot nu toe voorgestelde middelen voor het maken van een dergelijke kristalkiem hebben nog niet volledig voldaan.

Voor het smelten van de polykristallijne laag 20 ter verkrijging van hernieuwde groei uit vloeistoffase of vaste fase door epitaxiale herkristallisatie zijn diveirse energiebronnen voorgesteld, zoals een puntvormige laserbundel, een puntvormige elektronenbundel, 85 0 0 2 33 k.

'---- »- - - - — - - - --- -2- * . $ , £ een grafietstrookverhitter en een strookvormige booglamp. Deze energiebronnen hebben echter niet voldaan. Zo leveren de energiebronnen met een puntvormige stralenbundel wel een herkristallisatielaag, die 5 echter geen gelijkmatige éénkristalstruktuur heeft.

De gebruikelijke energiebronnen met een strookvormige bundel, zoals de grafietstrookverhitters én de strookvormige booglampen , kunnen de onderliggende laag beschadigen omdat daarbij een lange kontakttijd 10 van de stralenbundel met de polykristallijne laag nodig is, hetgeen verstrooiing van een onaanvaardbaar grote hoeveelheid warmte uit de laag naar het onderliggende substraat tengevolge heeft.

Zulke energiebronnen zijn ook ongeschikt 15 voor het maken van een kristalkiem voor een één- kristal. Een puntvormige laserbundel of elektronenbundel, die momentaan op een polykristallijne laag valt, zal in die laag een betrekkelijk klein, rond, gesmolten gebied veroorzaken. Bij het stollen 20 van het gebied zal het grensvlak met de rest van de laag kleine siliciumkristallen bevatten, die het gebied natuurlijk ongeschikt maken voor gebruik als kristalkiem. Het aftasten van de laag met een puntvormige stralenbundel heeft ook geen ge-25 schikte kristalkiemen opgeleverd. En de gebruikelijke strookvormige energiebronnen zijn om dezelfde reden ongeschikt en kunnen niet voor het doen groeien van een éénkristallaag worden gebruikt.

De uitvinding beoogt nu een éénkristal-30 halfgeleiderinrichting te verschaffen, waarmee de nadelen van de stand der techniek kunnen worden ondervangen.

8500235 -3-

, 4 T

Zij beoogt verder een werkwijze te verschaffen voor het maken van een éénkristal-halfgeleiderinrichting, welke gebruik maakt van een kristalkiem, die in een polykristallijne of amorfe laag op een substraat is 5 gevormd, en dan deze polykristallijne of amorfe laag laat smelten in kontakt met de kristalkiem ter opwekking van een epitaxiale herkristallisatie van de laag.

De uitvinding verschaft in de eerste plaats een j werkwijze voor het maken van een grote, ëénkristal-half-10 geleiderinrichting, waarbij men eerst een halfgeleider-plaatje neemt, dat bestaat uit een substraat met daarop een kiemvormingslaag van polykristallijn of amorf materi- j aal, en vervolgens een gebied van deze laag bestraalt met een elektronenbundel teneinde het gebied te smelten.

15 De werkwijze is gekenmerkt doordat men het gesmolten gebied zodanig afkoelt dat de stolling daarvan verloopt in een eerste richting en buitenwaarts naar de randen van het gebied in een loodrecht op de eerste richting staande tweede richting, zodat in het gebied een kristal-20 kiem voor een ëénkristal wordt gevormd, en doordat men de laag aftast met een elektronenbundel van strookvormige configuratie teneinde een deel van de kristalkiem te doen smelten en in de laag een gesmolten zone te creëren, die als ëénkristal kristalliseert door laterale 25 epitaxiale herkristallisatie vanuit de kristalkiem..__ * ΐίο ο 233 i ί -4-

De uitvinding wordt nader geillustreerd door de tekeningen, die enkele uitvoeringsvormen bij wijze van voorbeeld weergeven.

Figuur 1 en 2 zijn een bovenaanzicht en een 5 zijaanzicht van een halfgeleiderplaatje (wafer), met een polykristallijne of amorfe laag op een substraat, waarbij een gebied voor het vormen van kristalkiemen schematisch is aangegeven.

Figuur 3 en 4 zijn grafieken, die het verloop 10 van de temperatuurgradient in een eerste, respektievelijk een tweede richting binnen het in fig.1 aangegeven gebied tijdens het stollen daarvan na smelten weergeven.

Figuur 5 geeft de stollingsrichtingen in het gesmolten gebied aan.

15 Figuur 6 en 7 geven het verloop van verschillende temperatuurgradienten met de tijd binnen het in fig.1 getoonde gebied in de eerste richting aan.

Fig·.,. 8. en 9 geven het verloop van verschillende temperatuurgradienten met de tijd binnen het in fig.1 20 getoonde gebied in de tweede richting aan.

Fig.10 en 11 tonen de apparatuur voor het leveren van een strookvormige elektronenbundel voor het smelten van het in fig.1 aangegeven gebied.

Figuur 12 tot 15 en 16 tot 21 tonen de apparatuur 25 voor het leveren van de aanvankelijke temperatuurgradient die in fig.6, resp. fig.8 is weergegeven.

Fig. 22-28 en 29-31 tonen constructies van het halfgeleiderplaatje voor het leveren van het in fig.7, resp. fig.9 getoonde verband tussen temperatuur en tijd.

30 Figuur 32 en 33 geven een andere uitvoeringsvorm van de constructie uit fig.22 tot 31 .

Fig.34 tot 38 tonen een methode voor het maken van een ëén-kristal-halfgeleiderlaag onder gebruikmaking van kristalkiemen die op het in fig.30 getoonde plaatje 35 zijn gevormd.

8500233 I « i -5-

Fig.39 geeft een constructie van het halfgeleider plaatje voor het maken van een ëën-kristal-halfgeleider-laag.

Fig.40 is een bovenaanzicht van een zelfde ! 5 plaatje als in fig.1, met een groot aantal kristalkiemen [ daarop gevormd.

Fig.41 en 42 tonen twee mogelijke temperatuurprofielen in de polvkristallijne laag van een in fig.1 weergegeven halfgeleiderplaatje.

10 Fig.43 is een bovenaanzicht van een Jnfig.1 getekend halfgeleiderplaatje, waarbij de temperatuurverde-ling is aangegeven, die in het gebied van de kristalkiemen door de uitvoeringsvormen van fig.41 en 42 wordt veroorzaakt.

15 Fig.44 is een bovenaanzicht van een andere constructie van het halfgeleiderplaatje voor het maken van een groot aantal kristalkiemen voor éën-kristallen.

In fig.1 en 2 ziet men een halfgeleiderplaatje 100 in bovenaanzicht, respektievelijk zijaanzicht.

20 Dit plaatje 100 heeft een rond substraat 102 van circa 7,5 cm diameter, met daarop een laag 104 uit polykristal-lijn of amorf materiaal, met een dikte van ca. 0,5 tot 1,0 micron. De term "polykristallijn" wijst op een materiaal met een groot aantal betrekkelijk kleine kristallen.

25 ' Een voorbeeld daarvan is polysilicium, dat hier voor het beschrijven van de uitvinding zal worden gebruikt maar waartoe de uitvinding uiteraard niet beperkt is.

De laag polysilicium 104 is bijvoorbeeld door chemisch opdampen op het substraat 102 afgezet. Het sub- 30 straat 102 kan uit vrijwel elk materiaal bestaan, dat een glad oppervlak heeft? dit is een der voordelen van de uitvinding. Voorbeelden van geschikte materialen voor het substraat zijn glas, quartz, saffier en ook kristallijne halfgeleider materialen, zoals silicium, 35 germanium of galliumarsenide. Het substraat kan ook een 8500233 ' 0 £ -6- éên-kristal halfgeleider materiaal met daarin aanwezige halfgeleider inrichting gebieden zijn. Het gebruik van een dergelijk substraat is voordelig omdat men daarop dan een driedimensionale inrichting kan construeren.

5 In elk geval dient de polysiliciumlaag 104 op een onderliggende isolerende laag te worden afgezet; indien het substraat 102 dan ook geen isolerend materiaal is, wordt onder de laag 104 een aparte laag van isolerend materiaal zoals Si02 of siliciumnitride gebruikt.

10 In de polysiliciumlaag 104 wordt een kristalkiem van ëên-kristalsilicium gevormd door een gebied 106 van deze laag tot boven het smeltpunt te verhitten en het gesmolten gebied dan onder beheerste omstandigheden af te koelen. De omstandigheden kunnen worden bepaald met behulp 15 van een coördinatensysteem met een X-as en een Y-as, zoals in fig.1 weergegeven. Ter vorming van de kristalkiemen wordt het gebied 106 tot boven het smeltpunt van silicium, bijvoorbeeld tot ca. 1400°C verhit, en daarna zodanig afgekoeld, dat op elk willekeurig tijdstip de temperatuurgra- 20 dienten van fig.3 en 4 ontstaan. Met T· is het smeltpunt sm van silicium aangegeven. Op elk gegeven tijdstip, dient de temperatuurgradient (in °C per cm) dwars op het grensvlak van vaste stof en vloeistof in een gegeven richting binnen het stollingsgebied een bepaalde.minimum waarde te hebben, 25 die van de stollingssnelheid in die richting en van het materiaal afhangt. Zo dient voor polysilicium de temperatuurgradient in °C per cm tenminste 5000 x de stollingssnelheid in cm per seconde te zijn.

Fig.5 geeft aan hoe deze temperatuurgradienten 30 binnen het gesmolten gebied 106 een êënkristal opleveren.

Bij het afkoelen stolt het gesmolten silicium in de door de pijlen 108, 110 en 112 weergegeven richtingen. Het stollen verloopt in een eerste richting, aangegeven door de pijl 108, en ook in een loodrecht daarop staande tweede 35 richting, namelijk buitenwaarts naar de randen, zoals weer- 8500233 -7- ' ' ! gegeven door de pijlen 110 en 112. Dit koelingspatroon zorgt praktisch voor het omzetten van het gehele gebied 106 tot een éénkristal, met uitzondering van een klein gedeelte 114 aan het ene einde.

5 Fig.6-9 geven aan hoe dit koelingspatroon kan worden opgewekt. Fig.6 en 7 tonen het opwekken van een temperatuurverdeling in de eerste richting , d.w.z. in de y-richting van fig.1).

In de uitvoeringsvorm van fig.6 wordt het gebied 10 106 aanvankelijk zodanig verhit, dat daarbij de oplopende temperatuurgradient vanfig.6 optreedt. Het gebied 106 koelt daarna gelijkmatig in lengterichting (d.w.z. in y-richting) af. Zodra het materiaal op een plaats binnen het gebied 106 beneden het smeltpunt van silicium komt, 15 stolt het . Zo stolt het materiaal bijvoorbeeld op het tijdstip t^ op de plaats y^; en ten tijde t2 op de plaats y2· Het gebied 106 stolt zodoende in de richting van de pijl 108 van fig.5.

Bij een andere mogelijkheid, zoals getekend in 20 fig.7, wordt het gebied 106 aanvankelijk gelijkmatig tot een bepaalde temperatuur verhit en wordt de temperatuurver-deling pas bij het afkoelen ingesteld. De stollingsrich-ting wordt vastgelegd door het niet-gelijkmatige koelingspatroon van fig.7, waarbij het materiaal op de plaatsen 25 y.j, Y2 fY3r enz., respektievelijk op de tijdstippen t , t2,t3' enz* sto^en· Het resultaat is vrijwel gelijk lan dat van fig.6.

De fig.8 en 9 tonen hoe men een geschikte tempera-tuurverdeling dwars op het gebied 106 in de tweede rich-30 ting (d.w.z. langs de x-as) kan verkrijgen. Volgens fig.8 wordt het gebied 106 aanvankelijk verhit met een temperatuurgradient T . Bij het afkoelen van het gebied 106 α zal het materiaal op de plaatsen x^, x^ en x^ dan respektievelijk op de tijdstippen t^, t2 en t^ stollen.

35 De stollingsrichting van fig.8 is derhalve in de richting 8500233 Λ % t -8- van de pijlen 110 en 112 van fig.5.

Een andere mogelijkheid is voorgesteld in fig.9.

Het gebied 106 wordt dan aanvankelijk gelijkmatig verhit tot een bepaalde temperatuur en vervolgens niet gelijkma-5 tig afgekoeld. De stolling verloopt dan op de wijze van fig.9, hetgeen overeenkomt met de pijlrichtingen 110 en 112 in fig.5.

Voor het vormen van een gesmolten gebied in de laag 104 dient een grote hoeveelheid energie te worden in-10 · gebracht. Dit kan geschieden met behulp van een elektronenbundel, die door een geschikt toestel, bijvoorbeeld het toestel 140 van fig.10 en 11, wordt opgewekt. Het toestel 140 levert een strookvormige elektronenbundel B, waarvan de kinetische energie, de vermogensdichtheid en de energie-15 dichtheid zodanig is, dat een oppervlaktegebied van een werkstuk (bijvoorbeeld het plaatje 100) snel genoeg kan worden verhit om warmtegeleiding naar het onderliggende substraat te voorkomen.

Het toestel 140 bestaat uit een strookvormige 20 thermionische kathode 141, die zich in een geevacueerd huis 142 bevindt en ter afgifte van elektronen wordt verhit. Een rooster 144 regelt de hoeveelheid elektronen en werpt ze op een focusserende spleet 146, waarna de elektronen door een geaarde spleet 148 gaan. Een afbuigings-25 systeem omvat elektrostatische platen 150, waarop een afbuigingsspanning DV wordt aangelegd. Tussen het substraat 100 en de kathode 141 wordt een potentiaal verschil V gehandhaafd, terwijl een regelsysteem C aanwezig kan zijn om de spanning op het rooster 144 te regelen.

30 De vorm van de elektronenbundel is schematisch in fig.11 aangeduid. In deze uitvoeringsvorm wordt de laag 104 aanvankelijk korte tijd (tussenIO en 1000 microsecon-den) door de elektronenbundel B getroffen, zodat het gehele gebied 106 smelt. Daarna mag dit gebied afkoelen en stollen, 35 zoals hierboven aan de hand van fig.6 tot 9 is beschreven.

8500233 -9-

De figuren 12 tot 15 tonen uitvoeringsvormen, waarbij het gebied 106 aanvankelijk met een geschikte temperatuurgradient in de eerste richting of y-richting wordt verhit, zoals hierboven aan de hand van fig.6 5 beschreven. De temperatuurgradient geeft aanleiding tot verschillende snelheden van warrategeleiding door de thermische zone 200 (zie hierna) als funktie van de gemeten afstand in de eerste richting.

In fig.12 wordt.de kathode 141 met een aantal j i 10 weerstandverhitters 160A, 160B, 160C, 160D, 160E en j 160F op niet gelijkmatige wijze (over de lengte verdeeld) verhit. Als de aan elke verhitter toegevoerde stroom iets j

groter is dan de stroom, die aan de onmiddellijk vooraf- J

gaande verhitter wordt toegevoerd, dan varieert de stroom-15 dichtheid van de elektronenbundel B langs de y-as en i wordt het gebied 106 op niet gelijkmatige wijze (verdeeld | over de lengte) verhit. ί

In fig.13 wordt de kathode 141 wel gelijkmatig i verhit maar wordt op de roosterelementen 144A en 144B ! | 20 een potentiaalgradient in de eerste richting aangelegd.

De elektronenbundel B heeft dan een grotere stroomdichtheid aan het ene einde, zodat het gebied 106 met de temperatuurgradient van fig.6 wordt verhit.

In fig.14 wordt de kathode 141 gelijkmatig 25 over zijn lengte verdeeld verhit en hebben de roosterelementen 144A en 144B over de gehele lengte een gelijkmatige potentiaal. Hier worden echter motoren 162A en 162B gebruikt om de afstand tussen de elementen 144A en 144B te variëren door deze elementen om assen 164A en 30 164B te laten draaien. Ook hier is het effekt dat een aanvankelijke temperatuurgradient zoals die van fig.6 in het gebied 106 optreedt.

Fig.15 toont een andere uitvoeringsvorm waarin de kathode 141 gelijkmatig wordt verhit. Een motor 166 wordt 35 gebruikt om de hoekstand van het plaatje 100 ten opzichte * 8500233 -10- van de kathode 141 te wijzigen, zodat de temperatuurgra-dient van fig.6 optreedt.

De figuren 16 tot 21 tonen uitvoeringsvormen waarin het gebied 106 aanvankelijk wordt verhit met een bepaalde 5 zijdelingse temperatuurverdeling in de tweede richting of x-richting, zoals beschreven aan de hand van fig.8. Dit levert een temperatuurgradient die aanleiding geeft tot verschillende snelheden van warmtegeleiding door de later te bespreken thermische zone 200 als funktie van de gemeten 10 afstand in de tweede richting.

In fig.16 is onder de kathode 141 een geleidend element 168 geplaatst, dat zich over de lengte van de kathode in de eerste richting uitstrekt. Het element 168 bevindt zich midden tussen de randen van de kathode 141 15 in de tweede richting. De potentiaal van het element 168 ten opzichte van het plaatje 100 is kleiner dan de potentiaal van de kathode 141 , zodat de stroomdichtheid van de elektronenbundel B van het centrum naar de randen toeneemt en zorgt voor de in fig.8 getoonde temperatuurgra-20 dient.

Fig.17 toont een opstelling met twee kathoden 141^ en 1412* Door het instellen van een hoek A tussen de kathoden kan de stroomdichtheid van de elektronenbundel B zodanig worden geregeld, dat de temperatuurgradient van 25 fig.8 optreedt.

Fig.18 toont een gewijzigde kathode 141*.

Deze kathode heeft een gekromd emitterend oppervlak 170 waardoor een elektronenbundel B met een bepaalde stroomdichtheid aan het substraat ontstaat en een temperatuurgra-30 dient als in fig.8 optreedt.

Fig.19 toont een kathode 141 die inwendig door twee gloeidraden 172 en 174 wordt verhit. Het gebruik van twee gloeidraden op afstand van elkaar zorgt voor een stroomdichtheidsgradient in de elektronenbundel B, waardoor 35 een temperatuurgradient als in fig.8 in het gebied 106 op treedt.

8500233 i -11-

Pig.20 toont een lichte wijziging van de uitvoeringsvorm van fig.19. De kathode 141 bestaat nu uit twee elementen 141A en 141B, die elk een gloeidraad 172, 174 dragen. De elementen 14IA en 141B zijn door een isolerend 5 onderdeel 176 van elkaar gescheiden. Bij verhitting van de gloeidraden 172, 174 door een elektrische stroom zorgen de kathode-elementen 141A en 141B voor een elektronenbundel B met een bepaalde stroomdichtheid aan het oppervlak van het plaatje 100, waardoor de temperatuurverdeling van fig.8 10 optreedt.

In de uitvoeringsvorm van fig.21 is de kathode 141 bedekt met twee plaatjes 178 van een materiaal (b.v. I^O met cesium, dat een groter elektronenemitterend vermogen heeft dan het materiaal van de kathode 141. Bij verhitting 15 van de kathode 141 zenden de plaatjes 178 meer elektronen uit, zodat de temperatuurverdeling van fig.8 ontstaat.

Wil men de beide temperatuurgradienten van fig.6 en fig.8 tegelijk opwekken, dan kan natuurlijk elk van de uitvoeringsvormen van fig.12 tot 15 met elk van de uitvoe-20 ringsvormen van fig.16 tot 21 worden gecombineerd. Zo kan de kathode van fig.21 dan over de lengte worden verhit als in fig.12 ter opwekking van de temperatuurgradienten in langsrichting en zijdelingse richting als in fig.6 en 8.

Het is ook mogelijk om aanvankelijk in het gebied 25 106 een gelijkmatige temperatuur op te wekken en daarna de afkoeling ongelijkmatig te laten verlopen, zodat de stolling in de juiste richting verloopt op de wijze van fig.7 en 9.

De fig.22 - 24 tonen een halfgeleiderplaatje, 30 dat voorzien is van een thermische zone die voor verschillende snelheden van warmtegeleiding als funktie vein de gemeten afstand in de eerste richting of y-richting zorgt. Dit levert bij het afkoelen de temperatuurgradient van fig.7.

Het substraat omvat een thermische zone 200, waarop het : i 35 gebied 106 van polysilicium ligt. De thermische zone 200 8500233 j - — —---—----— ----1 -12- k zorgt voor verschillende snelheden van warmtegeleiding in de verschillende zones daarvan. Zij omvat een eerste laag 202 uit een goede warmtegeleider, zoals polysilicium, die op bekende wijze , bijvoorbeeld door chemisch opdampen 5 is aangebracht. Op de eerste laag 202 ligt een tweede laag 203 van warmte-isolerend materiaal zoals Si02, die eveneens door chemisch opdampen kan zijn gevormd. De tweede laag 203 is door maskeren en etsen voorzien van een lijst 204 die het gebied 106 begrenst. Een gedeelte 10 206 van de tweede laag 203 aan het ené einde van het gebied 106 is tot een iets grotere diepte weggeëtst dan de rest van het gebied 106. Verder is polysilicium afgezet in het door de lijst 204 begrensde gebied 106.

Als het gebied 106 van fig.22-24 met een elektro-15 nenbundel wordt bestraald, wordt het aanvankelijk door en door verhit, bijvoorbeeld tot een gelijkmatige temperatuur als in fig.7 aangegeven. Bij het afkoelen vormt het gedeelte 206 echter een speciale warmte-afvoer vanwege de geringere dikte van de tweede laag van warmte-isolerend materiaal 203 20 op die plaats. Verder zorgt de lijst 204 voor een vertraging van de warmtestroom uit het gesmolten polysilicium binnen het gebied 106 in richtingen anders dan via het gedeelte 206. Het gebied 106 koelt daardoor af op de wijze van fig.7 en stolt in de richting van de pijl 108, zie 25 fig.5.

In de uitvoeringsvorm van fig.25 is de tweede laag 203 lichtelijk veranderd. Hier neemt de dikte van de laag 203A geleidelijk toe vanaf het ene einde van het gebied 106 naar het andere. Wordt het gebied 106 van polysilicium 30 met een elektronenbundel gelijkmatig bestraald, dan smelt en stolt het op de wijze van de figuren 5 en 7.

In de uitvoeringsvorm van fig.26 is de tweede laag 203 vrijwel gelijk aan die van fig.24. Het warmte-af-voerende effekt van het gedeelte 206 wordt hier echter ver-35 groot door een warmtegeleidende radiator 210 die in het 8500233 b polysilicium is ingebed of op andere wijze met het ' polysilicium van het gebied 206 in kontakt staat.

De radiator 210 voert warmte af vanaf het einde van de zone 208 en straalt deze warmte uit naar de omgeving ter 5 versterking van het koelingspatroon van fig.24.

Het is ook mogelijk om het koelingspatroon van fig.7 te versterken door te verhinderen dat sommige delen van de zone met de elektronenbundel B worden bestraald.

Volgens fig.27 is een substraat 102 voorzien van de lagen 10 202, 203 volgens fig.24. Boven de warmte-afvoer, gevormd door het dunnere deel 206 , is een masker 212 aangebracht, zodat verhinderd wordt, dat het uiterste einde van het gebied 106 door de elektronenbundel B wordt bestraald.

Zodoende wordt een betrekkelijk koele zone geleverd, die 15 de warmtestroom versterkt en voor het koelpatroon van fig.7 zorgt.

Fig.28 toont een lichte wijziging van de uitvoeringsvorm van fig.27, waarbij een masker ook als radiator wordt gebruikt, gelijkend op de radiator 210 van fig.26.

20 In fig.28 maskeert de radiator 212* een deel van het polysilicium in het gebied 106 tegen bestraling door elektronen. Verder straalt hij ook warmte uit, omdat hij in kontakt staat met het polysilicium in het gebied 106, en versterkt daardoor het gewenste koelpatroon.

25 Het is ook mogelijk om een halfgeleiderplaatje met een thermische zone te maken, die voor verschillende snelheden van warmtegeleiding daardoorheen als funktie van de gemeten afstand in de tweede richting of y-richting zorgt. Dit regelt de wijze waarop het gebied in zijdelingse 30 richting (tweede of x-richting) afkoelt, zoals beschreven aan de hand van fig.9. De figuren 29 - 31 beschrijven een dergelijke constructie in detail.

In fig.29 omvat het substraat 102 een thermische zone 200, die op het substraat is aangebracht en bestaat 35 uit een eerste laag 202' van warmtegeleidend materiaal en 8500233 * -14- een tweede laag 203' van warmte-isolerend materiaal.

Zoals beschreven bij fig.24 tot 26 zal de eerste laag 202' doorgaans uit polysilicium bestaan. Na afzetting van de laag wordt deze laag geëtst ter vorming van een 5 korte richel 214 met toenemende dikte in de y-richting onder de warmte-afvoerzone (zie fig.29). Op de eerste laag 202' van polysilicium wordt een tweede laag 203' van warmteisolerend materiaal, zoals Si02 aangebracht en daarna geëtst ter levering van de dwarsdoorsnede uit 10 fig.29. D.w.z., de tweede laag 203' wordt zodanig geëtst dat een lijst 204 rondom het gebied 106 ontstaat en ook een centraal gedeelte 216 van verminderde dikte boven op de richel 214. In het gebied 106 wordt dan de laag polysilicium aangebracht waarin kristalkiemen moeten wor-15 den gevormd. Vervolgens wordt het substraat 102 gelijkmatig met een elektronenbundel bestraald en daardoor tot boven het smeltpunt verhit. Bij het afkoelen van het gesmolten polysilicium in het gebied 106 ontstaat een temperatuurgradient als in fig.9, zodat de stollingsrich-20 ting die van fig.5 is. Het dunnere deel van de laag 203' in het midden van het gebied 106 werkt als warmte-afvoer ter instelling van een geschikte temperatuurgradient bij het afkoelen van het polysilicium.

Fig.30 toont een iets andere uitvoering dan die 25 van fig.29, waarbij de etsing van de eerste laag 202' wordt weggelaten. Op het substraat 102 ‘, onder de geëtste laag 203' van SiC^ wordt zodoende een gelijkmatige laag 202 van polysilicium, net als in fig.24 tot 26, aangebracht. Wordt het gebied 106 van polysilicium door de gelijkmatige 30 elektronenbundel gesmolten, dan werkt de zone 216' van geringere dikte in het centrum van het gebied 106 als warmte-af voer, evenals die van· fig.29.

Fig.31 toont een andere uitvoering, waarbij het substraat 102 en de eerste laag 202 vrijwel gelijk zijn 35 aan die van fig.30. De laag isolerend materiaal is echter 8500233 -15- geefcst ter vorming van een tweede laag 203" met de in fig.31 getoonde dwarsdoorsnede. Wordt het gebied 106 nu met een gelijkmatige elektronenbundel bestraald en ! aanvankelijk verhit op de wijze van fig.9, dan volgt 5 bij afkoeling een stolling volgens fig.5.

De figuren 32 en 33 tonen een andere uitvoeringsvorm voor het instellen van het afkoelingspatroon van fig.5.

Een substraat 102 is voorzien van een thermische zone 200, bestaande uit een eerste laag 202 van polysilicium en een 10 tweede laag 203 van Sii^f vrijwel zoals hierboven beschreven. Binnen de lijst 204 en langs de omtrek van het gebied 106 bevindt zich een verhittingselement 208 uit een materiaal, dat elektronen absorbeert en daardoor verhit wordt. Dit element 218 bestaat doorgaans uit een materiaal 15 met zodanige eigenschappen, dat de parameter k^C(waarin k het thermische geleidingsvermogen in watt/cm-°C, 3 p de dichtheid in g /cm en C de specifieke warmte in Joules/g-°C is ), betrekkelijk gering is , bijvoorbeeld een waarde beneden 1,0 (de waarde voor silicium) heeft.

20 Een voorbeeld van een dergelijk materiaal is titaan, dat een waarde van 0,2 voor kpC heeft.

De parameter kpC kan worden opgevat als een maat voor het snel opwarmen van een materiaal bij energietoevoer, waarbij materialen, die sneller opwarmen kleinere waarden 25 voor deze parameter hebben. Wordt het gebied 106 met de elektronenbundel bestraald, dan wordt het verhittingselement 218 heet en zal de warmte daarvan behouden blijven vanwege de isolerende eigenschappen van de lijst 204.

Zodoende wordt het afkoelingspatroon van fig.5 verder 30 versterkt.

8500233 -16-

Het zo gevormde éénkristal is bijzonder geschikt als kristalkiem voor het maken van een· grote êénkristal-halfgeleiderinrichting door aftasting met een strookvormige elektronenbundel B. Ket is bijzonder geschikt om hetzelfde 5 type elektronenbundel te gebruiken voor het smelten van het gebied 106 r hetgeen tot een rechthoekige kristalkiem leidt. Overigens zal het duidelijk zijn dat ook andere kristalvormen kunnen worden verkregen.

Nadat een kristalkiem is gevormd wordt een elek-10 tronenbundel van hetzelfde of soortgelijke type gebruikt om het halfgeleiderplaatje af te tasten ter vorming van een grote éënkristal-halfgeleiderinrichting. Dit wordt schematisch aangegeven in fig.34. De elektronenbundel B begint op een zodanige plaats dat de kiem van het éënkris-15 tal in het gebied 106 gedeeltelijk maar niet geheel wordt gesmolten, en wordt vervolgens zodanig over het plaatje 100 bewogen, dat in de polysiliciumlaag op het substraat een gesmolten zone wordt gevormd, die uitgaande van de kristalkiem een éénkristal levert. Zoals blijkt uit fig.

20 . 34 is het gedeelte 114 van de kiem niet bruikbaar; dit gedeelte wordt gewoonlijk weggeëtst voordat het substraat door de elektronenbundel wordt afgetast ter levering van de halfgeleiderinrichting.

Fig.35 tot 38 laten in detail zien, hoe de 25 kristalkiem kan worden gebruikt voor het maken van een grote éënkristal-halfgeleiderinrichting.

Fig.35 toont een halfgeleiderplaatje 100 met soortgelijke dwarsdoorsnede als die van fig.30.

De laag 220 van polysilicium die ter vorming van de kristal-30 kiem dient, wordt voorafgaand daaraan eerst in het algemeen over het gehele oppervlak van het substraat aangebracht (ter wille van de duidelijkheid is dit in de bovenstaande beschrijving weggelaten). Een dergelijke benadering geeft een besparing op vervaardigingskosten en tijd, vergeleken 35 met het geval dat men de niet ter vorming van kristalkiemen 8500233 9 _

-17- I

j benodigde delen van het substraatoppervlak moet afschermen.

Overigens laat fig.35 het plaatje 100 zien nadat de kiem ' in het gebied 106 is gevormd.

Fig.36 toont een etsraasker 300 dat over het 5 oppervlak van het plaatje wordt aangebracht en wel zodanig, dat één zijde van de lijst 204 en het niet in een kristalkiem omgezette deel van de laag 220 uit polysilicium vrijliggen. Fig.37 laat het plaatje 100 zien nadat de laag 220 en één zijde van de lijst 204 zijn weggeëtst en 10 nadat het masker 300 is verwijderd. Vervolgens wordt op gebruikelijke wijze een werklaag 302 van polysilicium aangebracht, die de kiem gedeeltelijk bedekt (zie fig.38).

De zo verkregen constructie kan dan op de wijze van fig.34 door een elektronenbundel B worden afgetast ter vorming 15 van een grote éénkristal-halfgeleiderinrichting door zijdelingse epitaxiale herkristallisatie van de werklaag.

Fig.39 toont een configuratie van een plaatje waarbij de neiging van het gesmolten polysilicium (verkregen door aftasting van de laag 302 met de elektronen-20 bundel B) om in de juiste richting te stollen wordt vergroot.

De stollingsrichting van het gesmolten polysilicium dient te worden beheerst indien men een ëénkristallaag van goede kwaliteit wil hebben. Met name dient de stolling 25 voort te schrijden in dezelfde richting over het gehele gebied waarin het éënkristal moet worden gevormd. De constructie van fig.35 tot 38 versterkt de neiging van het polysilicium om in dezelfde richting te stollen omdat er een warmte-afvoer is ter vorming van het. kristal. De 30 neiging kan verder worden versterkt door dezelfde methoden als bij het vormen van de kristalkiem ook te gebruiken voor het vormen van de grote éënkristalinrichting.

Zoals blijkt uit fig.39 kan het in fig.38 getoonde plaatje 100 worden voorzien van een lijst 204 uit SiC^ 35 rondom de laag 302 van polysilicium die bij aftasting door ; 8500233 -18- de elektronenbundel B het éénkristal zal vormen.

(Terwille van de duidelijkheid zijn de randen van de kristalkieia S en de laag 302 , die nog wel in fig.38 worden getoond, in fig.39 weggelaten). Het gedeelte 216' 5 met geringere dikte zal dan een warmte-afvoer vormen, terwijl de lijst 204' de warmtestroom uit de rest van het gebied vertraagt.

Het zal duidelijfczijn, dat elk der configuraties uit de figuren 29 tot 31 een warmte-afvoer kan leveren 10 als de laag 302 van polysilicium wordt afgetast ter vorming van een groot éénkristal.

Verder kan men gebruik maken van een verhittingselement als in fig.32-33 teneinde de gewenste richting van de warmtestroom in het gesmolten polysilicium te verkrijgen.

15 Soms kan het gewenst zijn om meer dan één kiem- plaats op het pad van de aftastende elektronenbundel B aan te brengen. Dit levert geen probleem want het is mogelijk om net zo veel kiemen op het plaatjesoppervlak aan te brengen als nodig zijn en ook om ze op de juiste afstand 20 van elkaar te plaatsen. Zo kan de dwarsdoorsnede van fig.29 tot 31 zo veel malen als gewenst is op het oppervlak van het substraat worden herhaald teneinde meervoudige kiem-plaatsen op het halfgeleider plaatje van fig.34 tot 38 aan te brengen.

25 Zo kan een halfgeleiderinrichting uit een groot éénkristal op een betrekkelijk goedkoop substraatmateriaal worden aangebracht, aangezien het substraat niet de bron van de kristalkiemen is. Aangezien de diepte van de gesmolten zone nauwkeurig kan worden beheerst met behulp van de 30 beschreven elektronenbundel, is het verder mogelijk om te zorgen, dat een kristalkiem alleen in het bovengedeelte van de polysiliciumlaag op het substraat wordt gevormd en dat het zelfde geldt voor het éénkristal. Met deze methode kan een éénkristalinrichting direkt bovenop een laag polysili-35 cium worden gevormd.

8500233 > * -19- *

Fig. 40 laat zien hoe een elektronenbundel B een substraat kan aftasten ter vorming van een groot aantal kristalkiemen S. Hiertoe wordt bijvoorbeeld aangenomen, dat het halfgeleiderplaatje 100 een aantal gebieden 5 106 met een dwarsdoorsnede volgens fig.29, 30 of- 31 had. De elektronenbundel B wordt dan gebruikt voor het aftasten van het plaatje op de wijze van fig.40. De juiste stollingsrichting in de eerste richting wordt bepaald door de aftastende elektronenbundel. De temperatuur-10 verdeling in de tweede richting, dwars op het gebied 106, wordt ingesteld als op de wijze van fig.29-31. Zodoende kan een aantal kristalkiemen S met één continue bewerking worden gevormd.

De figuren 41 en 42 tonen een variant van deze 15 uitvoeringsvorm, waarbij de intensiteit van de elektronenbundel over de lengte of de breedte van de kathode wordt gevarieerd. Het plaatje 100 heeft een enkele gelijkmatige polysiliciumlaag, bijvoorbeeld volgens fig.2, en wordt met een elektronenbundel B af getast, zodart op het oppervlak 20 van het substraat een reeks van afwisselende hete en koude zones wordt gevormd(fig.43). Het verkregen stollings- ! patroon komt overeen met dat van fig.5, zodat een aantal kristalkiemen kan worden gevormd zonder gebruikmaking van .de vele bovenbeschreven configuraties van lijsten, warmte-25 afvoeren en maskers. Uiteraard kan het temperatuurprofiel van fig.41 vele malen dwars op de breedte van de kathode worden herhaald ter vorming van een aantal kristalkiemen bij het aftasten van het plaatje door de elektronenbundel.

Bovendien kan door in - en uitschakelen van de elektronen-30 bundel een patroon van kristalkiemen zoals in fig.40 worden verkregen.

Uit de figuren 10 tot 21 kan men gemakkelijk afleiden hoe een toestel voor het leveren van een elektronenbundel moet worden geconstrueerd om het temperatuurpatroon van 35 fig.41 en 42 te krijgen. Zo kan het patroon van fig.42 wor- » » ^ - -a ' '.j 9 * -20- den geleverd door elk van de in fig.16 tot 21 getekende constructies.

Fig.44 geeft in het bijzonder aan hoe de tot dusver beschreven algemene principes kunnen worden gebruikt 5 om kristalkiemen met een gewenste configuratie te vormen. Zoals aangegeven in fig.43 heeft het halfgeleiderplaatje 100 een thermische laag met een soortgelijke dwarsdoorsnede als bijvoorbeeld in fig.24. Er wordt een aantal gebieden 106 naast en op afstand van elkaar aangebracht terwijl 10 in de zone 206 met een isolerende laag van geringe dikte een gemeenschappelijke warmte-afvoer wordt gemaakt. Bij het aftasten van het plaatje door de elektronenbundel B wordt in elk gebied 106 een kristalkiem gevormd. De elektronenbundel beweegt met zijn lange afmeting haaks 15 op de gebieden 106 bij het vormen van de kristalkiemen, terwijl de elektronenbundel bij het vormen van het eindprodukt het plaatje aftast met zijn lange afmeting evenwijdig aan de in het gebied 106 gevormde kristalkiemen.

De vorming van de kristalkiemen kan worden ver-20 sterkt door de elektronenbundel niet in te schakelen voordat een deel van het gebied 206 gepasseerd is, zodat dit gebied 206 nog koeler wordt en de warmtestroom in de juiste richting wordt bevorderd.

De voordelen van de uitvinding zullen snel duide-25 lijk zijn. Een halfgeleiderinrichting uit een groot één- kristal of een aantal van dergelijke inrichtingen met nagenoeg elke gewenste configuratie kan namelijk gemakkelijk en snel op praktisch elk substraatmateriaal worden gevormd.

Het rendement, berekend uit materiaalkosten en opbrengst 30 aan eindprodukt kan met de uitvinding aanzienlijk worden verbeterd.

8500233

Claims

1. Werkwijze voor het maken van een grote éénkristal-halfgeleiderinrichting door uit te gaan van 5 een halfgeleiderplaatje, dat een substraat met daarop een kiemvormingslaag van polykristallijn of amorf materiaal omvat, en een gebied van deze kiemvormingslaag te bestralen met een elektronenbundel ter smelting van dat gebied, met het kenmerk, dat men het gesmolten 10 gebied (106) laat stollen vanaf één einde van dat gebied , in een eerste richting (y) en buitenwaarts naar de randen van het gebied in een tweede richting (x) welke tweede richting nagenoeg haaks op de eerste richting staat, ter vorming van een kristalkiem (S) ! 15 die nagenoeg een ëénkristal in het gebied vormt; ' en dat men een werklaag (302) van polykristallijn of amorf materiaal op het substraat (102,202,203) welke in kontakt met de kristalkiem staat, aftast met een elektronenbundel’ (B) van strookvormige configuratie 20 door het halfgeleiderplaatje (100) en de elektronenbundel relatief ten opzichte van elkaar te bewegen teneinde een deel van de kristalkiem te smelten en in de werklaag (302) een gesmolten zone te creëren die nagenoeg als ëénkristal kristalliseert door laterale 25 epitaxiale herkristallisatie vanuit de kristalkiem.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het halfgeleiderplaatje (100) een substraat (102) en een op dat substraat gelegen thermische zone (200, 200') omvat, waarbij de thermische zone een warmte-30 isolerende laag (203,203') onder het genoemde gebied omvat en een lijst (204) vormt die het gebied orasluit, ‘en dat de lijst (204) na het vormen van de kristalkiem (S) aan éën zijde van het gebied, zich uitstrekkend in de eerste richting (y) wordt verwijderd; en dat de 35 werklaag (302) wordt aangebracht als een nagenoeg continue f* £ ft Λ n rr ö 5 j j L· 3 o -----—-1 -22- $ * laag van polykristallijn of amorf materiaal, die in kontakt staat met de ene zijde van het gebied (fig.38).

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de werklaag (302) het substraat (102,202,203) 5 nagenoeg bedekt, dat op de kristalkiem (S) een masker (300) wordt geplaatst dat de werklaag (302) en één zijde van de lijst (204) vrijlaat; dat één zijde van de lijst (204) door etsen wordt verwijderd; dat het masker (300) wordt verwijderd; en dat de werklaag (302) zodanig wordt 10 aangebracht, dat hij gedeeltelijk over de kristalkiem (S) ligt en zich daarvan uitstrekt in de tweede richting (x) .

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat na de vorming van de kristalkiem (S) een polykristal- 15 lijn gedeelte (114) van het gestolde gebied van de kiemvormingslaag (106) wordt verwijderd.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kiemvormingslaag (106) en de werklaag (302) ’uit polysilicium bestaan.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met hetkenmerk, dat de kiemvormingslaag (106) een bepaalde (eerste) dikte heeft en het gesmolten gebied minder diep dan deze laag is, en dat de werklaag (302) eveneens een bepaalde (tweede) dikte heeft en de gesmolten zone minder diep dan 25 deze werklaag is.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tijdens het bestralen een aantal gebieden van de kiemvormingslaag (106) met de elektronenbundel wordt bestraald ter vorming van een aantal kristalkiemen (S) 30 in de kiemvormingslaag (fig.40).

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de kristalkiemen (S) rechthoekig zijn met hun lange zijde in de eerste richting (y) en zich op afstand van elkaar in de tweede richting (x) bevinden, met de werklaag 35 (302) daartussen, en dat het aftasten geschiedt door een Π5 r ‘ I V . I \ t -23- rechthoekige elektronenbundel (B) relatief ten opzichte van het halfgeleiderplaatje te bewegen, met de lange zijde van de elektronenbundel loodrecht op de lange zijde van de kristalkiemen.

9. Grote êênkristal-halfgeleiderinrichting, gemaakt met de werkwijze van conclusies 1-8. * 8500233