DE1218411B

DE1218411B - Verfahren zur Herstellung eines duennen einkristallinen Plaettchens

Info

Publication number: DE1218411B
Application number: DEZ8732A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Fritz Schleich
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1961-05-09
Filing date: 1961-05-09
Publication date: 1966-06-08
Also published as: GB958852A; NL278170A; CH404966A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESGHRIFT

Int. α.:

BOIj

Deutsche KL: 12g-17/08

Nummer: 1218411

Aktenzeichen: Z 8732IV c/12 g

Anmeldetag: 9. Mai 1961

Auslegetag: 8. Juni 1966

Bei der Herstellung verschiedener elektronischer •Bauelemente werden Halbleitermaterialien, vorzugsweise Silicium oder Germanium in Form von dünnen Lamellen mit nur wenigen hundertstel Millimeter Dicke in einkristalliner Form verwendet. Die seitliche Ausdehnung dieser Lamellen beträgt dabei im allgemeinen einige Millimeter.

Zur Herstellung solcher dünner Einkristallamellen wird üblicherweise mit dem Zonenschmelzveriahren gereinigtes Material verwendet, welches mit einem , Impfkristall aus der Schmelze zu einem Einkristall gezogen wird. Dabei wird die Wachstumsrichtung vorgegeben und meist auch noch mit nur einer Schmelzzone erneut gereinigt. Anschließend muß der so erhaltene große Einkristall mit Trennscheiben zerteilt werden. Die entstehenden Plättchen werden sodann geschliffen und auf die gewünschte Dicke geätzt. . Dieses sehr langwierige Herstellungsverfahren hat den großen Nachteil, daß ein ziemlicher Materialverlust an dem bereits hochgereinigten und teuren zonengeschmolzenen Material auftritt.

Es ist aber auch bekannt, auf eine Unterlage, welche die Kristallisation nicht beeinflußt und die sich später leicht abtrennen läßt, Halbleitermaterial und einen Impfkristall aufzubringen, vom Impfkristall ausgehend mittels Elektronenstrahls das Halbleitermaterial aufzuschmelzen und die entstandene einkristalline Halbleiter schicht von der Unterlage abzutrennen.

Das Aufbringen eines Ausgangsmaterials auf eine Unterlage und das Schmelzen der aufgedämpften Schicht kann nach einem bekannten Verfahren mittels Elektronenstrahls vorgenommen werden, wobei auch bereits Elektronenstrahlen zum Erhitzen und damit zum Verdampfen von Stoffen verwendet werden.

Dieses bekannte Verfahren eignet sich nicht zur Herstellung dünner einkristalliner Plättchen. Es entstehen stets verhältnismäßig große Kristalle, welche fest mit der Unterlage verbunden sind.

Eine Ablösung der aufgewachsenen Kristallschicht von der Unterlage ist durch mechanische Mittel, gegebenenfalls auch durch chemische Mittel, möglich.

Man hat auch bereits versucht, dünnste Halbleiterschichten durch Aufdämpfen auf eine Tragplatte und glühender Schicht zu erzeugen, doch wurde hierbei zur Erhitzung an Stelle einer Elektronenbestrahlung eine elektrische Widerstandsheizung angewendet.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, bei dem sowohl das Aufbringen der Schicht auf die Unterlage als auch das Aufschmelzen der Schicht zum Zwecke der Umkristallisierung und schließlich auch das Abtrennen des Impfverfahren zur Herstellung eines dünnen
einkristallinen Plättchens

Anmelder:

United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen

kristalle mit demselben Elektronenstrahl vorgenommen werden kann. Dies wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines dünnen einkristallinen Plättchens aus sublimierbarem Material, insbesondere Halbleitermaterial, durch Verdampfen vorgereinigten Ausgangsmaterials mittels eines Elektronenstrahls und Niederschlagen des Materials in gewünschter Schichtdicke auf eines die Kristallisation der Schicht nicht beeinflussenden und mit einem Impfkristall versehenen Unterlage und Aufschmelzen dieser Schicht mittels eines Elektronenstrahls, so daß eine linienförmige Schmelzzone, vom Ort des Impfkristalls ausgehend, über die gesamte Schicht vorzugsweise rasterförmig bewegt wird, wobei die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls angepaßt ist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl zur Verdampfung des vorgereinigten Ausgangsmaterials auf eine hohe Intensität eingestellt und derselbe, nunmehr auf niedrigere Intensität eingestellte Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Schicht benutzt wird, und daß nach erfolgter Behandlung der Schicht der Impfkristall mittels des nunmehr wieder auf eine erhöhte Intensität eingestellten Elektronenstrahls von der Schicht abgetrennt wird.

Dies bietet die Möglichkeit, daß auch äußerst dünne Schichten hergestellt werden können, die über ihre gesamte Ausdehnung eine genau vorgeschriebene gleichmäßige Dicke haben, da das Aufdampfen mit Hilfe eines Elektronenstrahls sehr fein steuerbar ist.

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Zum anderen, bietet das erfindungsmäßige Verfahren den Vorteil, daß es in einem einzigen Gerät durchgeführt werden kann, d.h. also, daß zwischen den einzelnen Arbeitsvorgängen keine Materialverunreinigungen erfolgen kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt ferner darin, daß es ohne weiteres gelingt, das Verfahren.zu automatisieren.

Als Ausgangsmaterial verwendet man bei dem neuen Verfahren vorgereinigtes Material, welches ganz wesentlich billiger ist als das teure zonengeschmolzene Material. Materialverlust tritt praktisch nicht auf.

Es ist auch möglich, einen linienförmig fokussierten Elektronenstrahl zu verwenden und diesen geradlinig über die Schicht zu führen.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Schicht einer Vorerhitzung zu unterwerfen und nur den Rest der zur Aufschmelzung notwendigen Wärmeenergie durch den Elektronenstrahl zu gewinnen. Die Vorerhitzung kann dabei mittels der üblichen Wärmequellen, beispielsweise mittels eines Temperofens, vorgenommen werden.

Der abgetrennte Impfkristall kann für die Herstellung der nächsten Schicht Verwendung finden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in der Figur dargestellten, zur Ausübung des neuen Verfahrens dienenden Vorrichtung näher erläutert.

In dieser Figur ist mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungssystems bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von beispielsweise 50 bis 100 kV erzeugt und mittels eines Hochspannungskabels dem' Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Steuerzylindervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungskabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt.

In Strahlrichtung gesehen, unterhalb der Anode 3, ist ein Ablenksystem 6 angeordnet, welches zur Justierung des Elektronenstrahls 11 dient. Der Generator 7 dient zur Stromversorgung des Ablenksystems 6.

Unterhalb des Ablenksystems 6 ist eine Blende 8 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 9 und 10 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des Elektronenstrahls 11 fällt dieser durch ein geerdetes Rohr 12 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 13 auf die auf einer Unterlage 14 aufgebrachte Schicht 15 aus Halbleitermaterial fokussiert.

Unterhalb der elektromagnetischen Linse 13 ist ein Ablenksystem 17 angeordnet, welches zur Bewegung des Elektronenstrahls über die Schicht 15 dient. Mittels der Generatoren 18 und 19 werden die zur Versorgung der Linse 13 und des Ablenksystems 17 dienenden regelbaren Ablenkströme erzeugt.

Zur Beobachtung des Aufschmelzvorgangs dient . ein optisches System, welches die mikroskopische Auflichtbeleuchtung der Schicht 15 erlaubt. Dieses System besteht aus einem Beleuchtungssystem 20, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metallische Prismen 21 und 22 auf eine in.. . axialer Richtung verschiebbare Linse 23 reflektiert und wird von dieser auf die Schicht 15 fokussiert. Unterhalb der Linie 23 ist eine auswechselbare Glas-" platte 24 angeordnet, welche die Linse vor etwaigen 65, \ Verunreinigungen schützt. Die Linse 23 wird zusam-, men mit der Glasplatte 24 mittels des Knopfes 25 in axialer Richtung bewegt·.; . . -,,

Das von der Oberfläche der Schicht 15 reflektierte bzw. ausgehende Licht wird durch die Linse 23 parallel gerichtet und über den Spiegel 26 in das als Stereomikroskop ausgebildete Beobachtungssystem 27 gelenkt.

Im Bearbeitungsraum 28 ist die Schicht 15 auf einem schematisch dargestellten kreuztisch 30 angeordnet, welcher mittels des Handrades 29 in einer Richtung bewegt werden kann.

Wird ein Elektronenstrahl 11 mit rundem Querschnitt verwendet, so wird dieser mittels des Ablenksystems 17 rasterförmig über die Schicht 15 geführt. Bei 16 ist der Impfkristall aufgebracht, so daß also die Aufschmelzung der Schicht 15 vom Rande 16 her erfolgt. Der Elektronenstrahl wird dabei mit einer solchen Geschwindigkeit von rechts nach links bewegt, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der entstehenden Schmelzzone der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls angepaßt ist. Hat der Elektronenstrahl 11 den linken Rand der Schicht 15 erreicht, so hat diese Schicht die Form eines dünnen Einkristalls, dessen Orientierung durch den Impfkristall bestimmt ist. Sodann wird der Elektronenstrahl 11 wieder nach rechts abgelenkt, seine Intensität wird erhöht, und der Impfkristall wird mittels des Elektronenstrahls von der Einkristallschicht 15 abgetrennt.

Es ist auch möglich, den Elektronenstrahl 11 lediglich in der Querrichtung (senkrecht zur Papierebene) abzulenken und dabei die Schicht 15 mittels des Handrads 29 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls zu bewegen.

Wird ein linienförmig fokussierter Elektronenstrahl verwendet, so ist es lediglich notwendig, ihn mit Hilfe des Ablenksystems 17 in einer Richtung beginnend bei 16 über die Schicht 15 abzulenken. Derselbe Effekt kann in diesem Fall bei ruhendem Elektronenstrahl erreicht werden, wenn mittels des Handrads 29 die Schicht relativ zum Elektronenstrahl bewegt wird.

Mittels des in F i g. 1 dargestellten Geräts ist es auch möglich, mehrere Schichten gleichzeitig zu behandeln. Zu diesem Zweck werden mehrere ihre endgültige geometrische Form aufweisende Schichten nebeneinander angeordnet, und jede Schicht wird mit einem Impfkristall versehen. Sodann wird der Elektronenstrahl 11 mittels des Ablenksystems 17 über alle Schichten bewegt und zugleich senkrecht zu dieser Auslenkung verschoben.

Bei geeigneter Anordnung mehrerer Schichten kann es auch möglich sein, mit nur einem Impfkristall auszukommen und jede Schicht als Impfkristall für die zeitlich unmittelbar danach behandelte Schicht zu verwenden.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines dünnen einkristallinen Plättchens aus sublimierbarem Material, insbesondere Halbleitermaterial, durch Verdampfen vorgereinigten Ausgangsmaterials mittels eines Elektronenstrahls und Niederschlagen des Materials in gewünschter Schichtdicke auf einer die Kristallisation der Schicht nicht beeinflussenden und mit einem Impfkristall versehenen Unterlage und Aufschmelzen dieser Schicht mittels eines Elektronenstrahls, so daß eine linienförmige Schmelzzone, vom Ort des Impfkristalls ausgehend, über die gesamte Schicht vorzugsweise rasterförmig bewegt wird, wobei . die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone der

Wachstumsgeschwindigkeit des Knstalls angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl zur Verdampfung des vorgereinigten Ausgangsmaterials auf eine hohe Intensität eingestellt und derselbe, nunmehr auf niedrigere Intensität eingestellte Elektronenstrahl zum Aufschmelzen der Schicht benützt wird und daß nach erfolgter Behandlung der Schicht der Impfkristall mittels des nunmehr wieder auf eine erhöhte Intensität eingestellten Elektronenstrahls von der Schicht abgetrennt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 968 581; deutsche Auslegeschriften Nr. 1029 939, 040 693,1 098 316.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen