DE3502789A1

DE3502789A1 - Wafer-aufbau zur herstellung einer einkristall-halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3502789A1
Application number: DE19853502789
Authority: DE
Inventors: Yoshinari Hayafuji; Akashi Sawada; Akikazui Yokohama Shibata; Setsuo Usui
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1985-01-28
Publication date: 1985-08-08
Also published as: GB2153253A; US4549913A; NL8500231A; GB8501877D0; JPS60180112A; GB2153253B

Description

Wafer-Aufbau zur Herstellung einer Einkristal!-Halbleiteranordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, insbesondere auf große Einkristall-Halbleiteranordnungen, sowie auf Wafer-Aufbauten zur Herstellung derartiger Anordnungen.

Die Verwendung eines Hochenergiestrahls zum Aufwachsenlassen eines großen Einkristalls aus einer Schicht von polykristallinem Material auf einem Substrat heraus ist bereits vorgeschlagen worden. Wenn der Strahl Über das Substrat läuft, schmilzt er diese Schicht, und die geschmolzene Zone erstarrt im Idealfall, wenn sie abkühlt, zu einem Einkristall.

Eine der Bedingungen zum Umwandeln der polykristallinen Schicht in einen Einkristall besteht darin, einen "Kristallkeim", d. h. einen Einkristall, der in Kontakt mit der geschmolzenen Zone steht, zu erzeugen, um zu bewirken, daß diese als ein Einkristall erstarrt. Bisher ist kein Vorschlag für irgendeine insgesamt zufriedenstellende Methode zur Herstellung eines solchen Kristallkeims gemacht worden.

Es sind bereits verschiedene herkömmliche Energiequellen, wie beispielsweise ein Punktlaserstrahl, ein Punktelektronenstrahl, ein Graphit-Streifenheizelement, ein Lichtbogen-Streifenstrahler oder dergl., zur Benutzung zum Zwecke des Schmelzens einer polykristallinen Schicht zum Bewirken eines Flüssigphasen- oder Festphasen-Wiederaufwachsens durch epitaxiale Rekristallistion vorgeschlagen worden.

Solche herkömmlichen Energiequellen sind indessen unzureichend. Beispielsweise ergeben Punktstrahl-Energiequellen eine rekristallisierte Schicht, der es an einer gleichförmigen einkristallinen Struktur mangelt. Herkömmliche Punktstrahl-Energiequellen, wie beispielsweise Graphit-Streifen-

heizelemente oder Lichtbogen-Streifenstrahler, können das darunterliegende Substrat beschädigen, da ein relativ langzeitiger Kontakt des Strahls mit der polykristallinen Schicht notwendig ist, was zu einer Wärmestreuung in einem unannehmbaren Ausmaß aus der Schicht in das darunterliegende Substrat führt.

Derartige Energiequellen sind außerdem für eine Erzeugung eines Einkristallkeims ungeeignet. Ein Punktlaser oder Punktelektronenstrahl, der kurzzeitig auf eine polykristalline Schicht trifft, erzeugt eine relativ kleine kreisförmige geschmolzene Zone in der Schicht. Indessen enthält die Zone, wenn sie erstarrt, an deren Grenze zu dem Rest der Schicht kleine Siliziumkristalle, die natürlicherweise die Zone ungeeignet für die Verwendung als Kristallkeim machen. Das Überlaufen der Schicht mit einem Punktstrahl erzeugt ebenfalls keinen geeigneten Kristallkeim. Herkömmliche Streifen-Energiequellen sind ebenfalls aus demselbem Grund ungeeignet, da sie nicht zum Aufwachsenlassen einer Einkristallschicht benutzt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wafer-Aufbau zu schaffen, der ein Substrat und eine polykristalline oder amorphe Schicht darauf enthält, die eine Zone aufweist, die wenn sie geschmolzen wird, anschließend zu einem Einkristall zur Verwendung als ein Kristallkeim zum Herstellen einer großen Einkristall-Halbleiteranordnung erstarrt. Desweiteren besteht die Aufgabe darin, einen Wafer-Aufbau zu schaffen, der aus einem Substrat und einem Einkristallkeim sowie einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf dem Substrat besteht, die wenn sie geschmolzen wird, anschließend als ein Einkristall erstarrt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wafer-Aufbau vorgeschlagen, der ein Substrat, eine thermische Schicht auf dem Substrat und eine polykristalline oder amorphe Kristallkeim-Schicht auf einer Zone der thermischen Schicht enthält. Die

thermische Schicht sieht unterschiedliche Raten der Wärmeleitung durch sie in zumindest einer ersten Richtung der Zone oder einer zweiten Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung liegt, vor, wobei die Rate der Wärmeleitung durch die thermische Schicht in der ersten Richtung einen ansteigenden Temperaturgradienten in der Kristallkeim-Schicht in der ersten Richtung vorsieht und wobei die Rate der Wärmeleitung durch die thermische Schicht in der zweiten Richtung eine höhere Temperatur an den Rändern der Zone als in deren Mitte in der zweiten Richtung erzeugt.

Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß ein Wafer-Aufbau vorgeschlagen, der ein Substrat, eine thermisehe Schicht auf dem Substrat, eine Einkristallkeim-Schicht auf der thermischen Schicht, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, und eine polykristalline oder amorphe Schicht auf der thermischen Schicht, die einen Bereich abdeckt, der auf einer Seite durch die Kristallkeim-Schicht begrenzt ist und sich in einer zweiten Richtung fort von der Kristallkeim-Schicht und senkrecht zu der ersten Richtung erstreckt, enthält. Die polykristalline oder amorphe Schicht steht in Kontakt mit der Kristallkeim-Schicht, und die thermische Schicht sieht unterschiedliche Raten der Wärmeleitung durch die thermische Schicht in der zweiten Richtung zum Erzeugen eines ansteigenden Temperaturgradienten in der polykristallinen oder amorphen Schicht in der zweiten Richtung vor.

Die genannte und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden anhand von bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffenden Figuren im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines Wafers, die schematisch im Prinzip die Erzeugung einer Zone darstellt, in welcher ein Kristallkeim in einer polykristallinen

oder amorphen Schicht auf einem Substrat ausgebildet wird.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Wafers, der in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Temperaturgradienten in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in einer ersten Richtung zu irgendeinem gegeben Zeitpunkt während der Wiedererstarrung der Zone, nachdem diese geschmolzen worden ist.

Fig. A zeigt ein Diagramm des Temperaturgradienten in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in einer zweiten Richtung zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt während der Wiedererstarrung der Zone, nachdem diese geschmolzen worden ist.

Fig. 5 zeigt die Ausbreitungsrichtungen der Wiedererstarrung der geschmolzenen Zone.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm des Temperaturgradienten über die Zeit in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in der

ersten Richtung.
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Fig. 7 zeigt ein weiteres Diagramm des Temperaturgradienten über die Zeit in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in der ersten Richtung.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm des Temperaturgradienten über die Zeit in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in der zweiten Richtung.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Diagramm des Temperaturgradienten über die Zeit in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist, in der zweiten Richtung.

Fig. 10 u. Fig. 11 zeigen eine Einrichtung zum Erzeugen eines streifenähnlichen Elektronenstrahls zum Schmelzen der Zone, die in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 12 ... Fig. 15 zeigen eines Einrichtung zum Erzeugen des anfänglichen Temperaturgradienten, der in Fig. 6 gezeigt ist.

Fig. 16 ... Fig. 21 zeigen eine Einrichtung zum Erzeugen des anfänglichen Temperaturgradienten, der in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 22 ... Fig. 28 zeigen Wafer-Aufbauten zum Herstellen der Temperatur/Zeit-Beziehung, die in Fig. 7 gezeigt ist.

Fig. 29 ... Fig. 31 zeigen Wafer-Aufbauten zum Herstellen der Temperatur/Zeit-Beziehung, die in Fig. 9 gezeigt

ist.
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Fig. 32 u. Fig. 33 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Wafer-Aufbauten, die in Fig. 22 bis Fig. gezeigt sind.

Fig. 34 ... Fig. 38 zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Einkristall-Halbleiterschicht, das den Kristallkeim verwendet, der auf dem Wafer ausgebildet ist, welcher in Fig. 30 gezeigt ist.

Fig. 39 zeigt einen Wafer-Aufbau zum Herstellen einer Einkristall-Halbleiterschicht.

Fig. 40 zeigt eine Draufsicht eines Wafers gleich demjenigen, der in Fig. 1 gezeigt ist, jedoch mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Kristallkeimen.

Fig. 41 zeigt ein mögliches Temperaturprofil in der poly-

kristallinen Schicht eines Wafers gleich dem, der in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 42 zeigt ein weiteres mögliches Temperaturprofil in der polykristallinen Schicht eines Wafers gleich dem, der in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 43 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Wafers gleich dem, der in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die Temperaturverteilung dargestellt ist, die in der Keimzone durch die Ausfuhrungsbeispiele, welche in Fig. 41 u. Fig. 42 gezeigt sind, erzeugt wird.

Fig. 44 zeigt eine Draufsicht eines anderen Wafer-Aufbaus zum Herstellen einer Vielzahl von Einkristallkeimen.

Fig. 1 u. Fig. 2 zeigen einen Wafer 100 von oben bzw. in Seitenansicht. Der Wafer 100 besteht aus einem kreisförmigen Substrat 102 mit ungefähr 3" Durchmesser, das eine Schicht 104 eines polykristallinen oder amorphen Materials mit ungefähr 0,5 bis 1,0 Dicke auf sich trägt. Unter "polykristallin" ist ein Material zu verstehen, das aus einer großen Anzahl von relativ kleinen Kristallen besteht. Ein typisches Beispiel dafür ist Polysilizium, auf das hier zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird. Indessen ist die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf Polysilizium zum Zwecke der Beschreibung der erfindungsgemäßen Merkmale nicht auf diese Art von Material beschränkt. Vielmehr können auch andere Materialien, die für die Verwendung als die polykristalline oder amorphe Schicht 104 geeignet sind, im Rahmen der Erfindung benutzt werden.

Die Schicht 104 aus Polysilizium wird auf das Substrat 102 durch ein Verfahren, beispielsweise das chemische Aufdampfungs-Ablagerungsverfahren "CVD", aufgebracht. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 102 sogar aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen, das eine

glatte Oberfläche aufweist - ein Merkmal, das einen Vorteil der vorliegenden Erfindung ausmacht, wie dies aus der Beschreibung ersichtlich wird. Beispiele für Materialien, die als Ausgangsstoff für das Substrat 102 geeignet sind, sind Glas, Quarz, Saphir und kristalline Halbleitermaterialien wie Silzium, Germanimum oder Galliumarsenid. Der Ausgangsstoff kann auch ein Kristall-Halbleitermaterial mit Halbleiter-Anordnungszonen, die darin ausgebildet sind, sein. Die Verwendung eines derartigen Ausgangsstoffes ist insbesondere vorteilhaft, da die vorliegende Erfindung ermöglicht, auf dieser Basis eine dreidimensionale Anordnung aufzubauen. In jedem Fall ist das Material, hier die PoIysiliziumschicht 104, auf eine darunterliegende isolierenden Schicht aufzubringen, so daß wenn die Basis des Substrats 102 kein isolierendes Material ist, dann eine Schicht (nicht in Fig. 1 gezeigt) eines isolierenden Materials, wie SiO_ oder Siliziumnitrid, unterhalb der Schicht 104 liegt.

Ein Kristallkeim, der aus einem Einkristall aus Silizium besteht, wird in der Schicht 104 aus Polysilizium durch Erhitzen einer Zone 106 der Schicht 104 aus Polysilizium bis über deren Schmelzpunkt und dann durch Abkühlen der geschmolzenen Zone unter bestimmten geregelten Bedingungen gebildet. Diese Bedingungen können durch Erstellen eines Koordinatensystems mit "x"- u. "y"-Achsen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, definiert werden. Um einen Einkristallkeim zu bilden, wird die Zone 106 aus Polysilizium bis oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium, beispielsweise bis ungefähr 1400 C, erhitzt und dann abgekühlt, um die Temperaturgradienten, die in Fig. 3 u. Fig. 4 gezeigt sind, zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt während des Abkühlens einzustellen. Der Ausdruck "T ,." bezeichnet den Schmelzpunkt von Silizium. Zu einer gegebenen Zeit sollte der Temperaturgradient (in °C/cm) über der Festzustand-Flüssigkeitszustands-Grenze in einer gegebenen Richtung in der Erstarrungszone einen minimalen Wert haben, der von der Erstarrungsgeschwindigkeit in dieser Richtung und dem Material abhängt. Beispielsweise

sollte für Polysilizium der Temperaturgradient in C/cm zumindest das 5000-fache der Erstarrungsgeschwindigkeit in cm/s haben.

Fig. 5 zeigt, wie diese Temperaturgradienten einen Einkristall aus der geschmolzenen Zone 106 bilden. Wenn sich die Zone 106 abkühlt, erstarrt das geschmolzene Silizium in Richtungen, die durch die Pfeile 108, 110 u. 112 angedeutet sind. Die Erstarrung der Zone 106 setzt sich längs einer Richtung, die durch den Pfeil 108 gekennzeichnet ist, und nach außen in Richtung auf die Ränder, wie dies durch die Pfeile 110 u. 112 gekennzeichnet ist, in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung liegt, fort. Dieses Abkühlungsmuster wandelt praktisch die gesamte Zone 106 in einen Einkristall mit der Ausnahme eines kleinen Bereiches 114 an deren einem Ende um.

Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen, wie dieses Abkühlungsmuster erzeugt werden kann. Fig. 6 u. Fig. 7 zeigen die Erzeugung einer Temperaturverteilung in der ersten Richtung (d. h. in der y-Richtung, die auch in Fig. 1 erkannbar ist).

In dem Beispiel, das in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Zone 106 anfänglich derart erhitzt, daß sie den ansteigenden Temperaturgradienten aufweist, der in Fig. 6 gezeigt ist. Die Zone 106 kühlt sich dann gleichmäßig längs ihrer Längsausdehnung (in der y-Richtung) ab, und in dem Maße, wie sich jeder Ort in der Zone 106 unter den Schmelzpunkt von Silizium abkühlt, erstarrt diese. Zu einem Zeitpunkt ΐ_χ erstarrt beispielsweise die Zone 106 bei y., bei einem Zeitpunkt tp erstarrt die Zone 106 bei y₂ usw.. Auf diese Weise erstarrt die Zone 106 in Richtung des Pfeils 108 in Fig. 5.

Alternativ dazu kann die Zone 106 anfänglich auf eine gleichförmige Temperatur erhitzt werden, wie dies in Fig. gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperaturverteilung in dem Maße eingestellt, wie sich die Zone

106 abkühlt. Die Erstarrungsrichtung wird durch das nichtgleichförmige Abkühlungsmuster festgelegt, wie es graphisch in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Orte Y₁, y₂, y₃ usw. zu den Zeitpunkten t~_t t₂ bzw. t₃ usw. erstarren, und zwar in ähnlicher Weise wie in dem Ausführungsbeipiel, das in Fig. gezeigt ist.

Fig. 8 u. Fig. 9 zeigen, wie eine geeignete Temperaturverteilung über die Zone 106 in der zweiten Richtung (d. h.

längs der χ-Achse) erzielt wird. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann die Zone 106 anfänglich derart erhitzt werden, daß ein Temperaturgradient, der als T. ... , gekennzeichnet ist, einzustellen ist. Dann erstarren in dem Maße, wie sich die Zone 106 abkühlt, die Orte X₁, x„ u. x„ zu Zeitpunkten t-, t₂ bzw. t„. Demzufolge liegt die Richtung der Erstarrung, wie dies graphisch in Fig. 8 gezeigt ist, in der Richtung der Pfeile 110 u. 112 in Fig. 8.

Alternativ dazu kann die Zone 106 anfänglich auf eine gleichförmige Temperatur erhitzt werden, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, und dann ungleichförmig abgekühlt werden. In diesem Fall verläuft die Erstarrung wie graphisch in Fig. 9 dargestellt, was im übrigen mit der Richtung der Pfeile 110 u. 112 in Fig. 5 korrespondiert.

Die Erzeugung einer geschmolzenen Zone in der Schicht 104 erfordert das Einwirkenlassen einer großen Energiemenge auf diese Schicht. Dies kann durch Verwendung eines scharf gebündelten, linienförmigen (sog. fine-line-) Elektronen-Strahls erreicht werden, der in der mit der vorliegenden Anmeldung zusammenhängenden US-Patentanmeldung Serial-No. 455,266, eingereicht am 3. Januar 1983 als weiterführende Patentanmeldung zu derjenigen mit der Serial-No. 224,313 für die Anmelderin auch der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.

Wie in dieser Patentanmeldung offenbart, kann ein derartiger

Elektronenstrahl durch Verwendung einer Einrichtung 140, die in den Figuren 10 u. 11 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist, erzeugt werden. Die Einrichtung 140 erzeugt einen streifenförmigen Elektronenstrahl B, der Elektronen mit kinetischen Energien bzw. Massedichten oder Energiedichten einwirken lassen kann, die Ausmaße haben, welche eine Oberflächenzone eines Werkstückes, hier des Wafers 100, schnell genug schmelzen können, um eine Wärmeableitung zu dem Substrat, das unter der Oberflächenzone liegt, zu verhindern.

Die Einrichtung 140 besteht aus einer streifenförmigen thermionischen Katode 141, die in einem evakuierten Gehäuse 142 untergebracht ist und erhitzt wird, um Elektronen abzugeben. Ein Sauggitter 144 steuert die Elektronen und leitet diese in eine Fokussierungsöffnung 146. Die Elektronen bewegen sich dann durch eine untere Öffnung 148. Ein vorgesehenes Ablenksystem besteht aus elektrostatischen Platten 150, über die eine Ablenkspannung DV gelegt wird. Zwischen dem Substrat 100 und der Katode 141 wird eine bestimmte Potentialdifferenz aufrechterhalten. Außerdem ist ein Steuersystem C vorgesehen, um die Sauggitterspannung regeln oder steuern zu können.

Fig. 11 zeigt schematisch die Form des Elektronenstrahls B.

In diesem AusfUhrungsbeispiel trifft der Elektronenstrahl B kurzzeitig für einen Zeitabschnitt zwischen 10 und 100 Mikrosekunden auf die Schicht 104, um anfänglich die gesamte Zone 106 zu schmelzen, die dann abkühlen und erstarren kann, wie dies zuvor in Verbindung mit Fig. 6 bis Fig. 9 beschrieben worden ist.

Fig. 12 bis Fig. 15 zeigen Ausführungsbeispiele, durch die die Zone 106 anfänglich mit dem geeigneten Temperaturgradienten in der y-Richtung oder ersten Richtung erhitzt wird, wie dies im Zusammenhang mit FIr. G weiter oben beschrieben wurde.

In Fig. 12 wird die Katode 141 ungleichförmig längs ihrer Längsausdehnung durch eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen 160A, 160B, 160C, 160D, 160E u. 160F erhitzt. Wenn der Strom, der jedem Heizelement zugeführt wird, geringfügig stärker als derjenige ist, der dem jeweils unmittelbar vorhergehenden Heizelement zugeführt wird, variiert die Stromdichte des Strahls B längs der y-Achse, und die Zone 106 wird ungleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt.

Gemäß Fig. 13 wird die Katode 141 gleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt, jedoch werden Sauggitterelemente 144A u. 144B jeweils auf ein Potential mit einem Potentialgradienten in der ersten Richtung gelegt. Auf diese Weise hat der Elektronenstrahl B an einem Ende eine höhere Stromdichte und erhitzt die Zone 106 mit dem Temperaturgradienten, der in Fig. 6 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 14 wird die Katode 141 gleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt, und die Sauggitterelemente 114A u. 144B weisen längs ihrer Längsausdehnung ein gleichförmiges Potential auf. Indessen werden Motoren 162A u. 162B benutzt, um den Abstand zwischen den Elementen 144A u. 144B durch Drehen der Elemente um Achsen 164A bzw. 164B zu variieren. Wiederum besteht die Wirkung darin, einen anfänglichen Temperaturgradienten gleich dem in Fig. 6 in der Zone 106 zu erzeugen.

Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem die Katode C gleichförmig erhitzt wird. Ein Motor 166 wird benutzt, um die winkelmäßige Orientierung des Wafers 100 relativ zu der Katode 141 zu ändern, um so den Temperaturgradienten zu erzeugen, der in Fig. 6 gezeigt ist.

Fig. 16 bis Fig. 21 zeigen Ausfuhrungsbeispiele, durch die die Zone 106 anfänglich mit einer lateralen Temperaturverteilung in der x-Richtung oder zweiten Richtung erhitzt werden kann, wie dies zuvor in Verbindung mit Fig. 8 be-

schrieben wurde.

In Fig. 16 ist ein leitendes Element 168 unterhalb der Katode 141 angeordnet, und zwar derart, daß es sich längs ihrer Längsausdehnung in der ersten Richtung erstreckt.

Dieses Element 168 ist in der Mitte zwischen den Rändern der Katode 141 in der zweiten Richtung angeordnet. Das Potential des Elementes 168 relativ zu dem Wafer 100 ist geringer als das Potential der Katode 141, so daß sich die Stromdichte des Elektronenstrahls B von dem Zentrum zu den Rändern hin erhöht und daß der Temperaturgradient erzeugt wird, der in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 17 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Katodenelemente 14I₁ u. 141p vorgesehen sind. Durch Bilden eines Winkels A zwischen den Katodenelementen kann die Stromdichte des Elektronenstrahls B gesteuert werden, um den Temperaturgradienten zu erzeugen, der in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 18 zeigt eine modifizierte Katode 141'. Diese Katode 141" hat eine gekrümmte emittierende Oberfläche 170, die einen Elektronenstrahl B erzeugt, der eine Stromdichte bei dem Substrat bewirkt, die einen Temperaturgradienten gleich dem in Fig. 8 gezeigten erzeugt.

Fig. 19 zeigt eine Katode 141, die von innen her durch zwei Heizdrähte 172 u. 174 erhitzt wird. Die Verwendung der zwei einen Abstand voneinander aufweisenden Heizdrähte erzeugt einen Stromdichtegradienten in dem Elektronenstrahl B, der eine Temperaturverteilung in der Zone 106 erzeugt, die gleich derjenigen ist, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 20 zeigt eine geringfügige Modifikation des Ausführungsbeispiels, das in Fig. 19 gezeigt ist. Die Katode 141 in diesem Ausführungsbeispiel besteht aus zwei Katodenelementen 141A u. 141B, die in sich eingebettet je einen von zwei Heizdrähten 172 u. 174 aufweisen. Die Katodenelemente

141A u. 141B sind durch ein Isolierelement 176 voneinander getrennt. Wenn die Heizdrähte 172 u. 174 durch einen Stromfluß durch diese erhitzt werden, erzeugen die Katodenelemente 141A, 141B einen Elektronenstrahl B, dessen Stromdichte an der Wafer-Oberfläche die Temperaturverteilung bewirkt, die in Fig. 8 gezeigt ist.

In dem AusfUhrungsbeispiel gemäß Fig. 21 ist die Katode mit zwei Bereichen 178 eines Materials, z. B. Ba_0 mit Zäsium, das ein höheres Elektronenemissionsvermögen als das Material der Katode 141 hat, bedeckt. Wenn die Katode 141 erhitzt wird, emittieren die Bereiche 178 mehr Elektronen und erzeugen die Temperaturverteilung, die in Fig. 8 gezeigt ist.

Selbstverständlich können, um die beiden Temperaturgradienten, die in Fig. 6 u. Fig. 8 gezeigt sind, zu erreichen, irgendwelche der Ausführungsbeispiele der Figuren 12 bis mit irgendwelchen der AusfUhrungsbeispiele in Fig. 16 bis Fig. 21 kombiniert werden. Beispielsweise könnte die Katode, die in Fig. 21 gezeigt ist, längs ihrer Längsausdehnung erhitzt werden, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist, um die longitudinalen und lateralen Temperaturgradienten, die in Fig. 6 bzw. Fig. 8 gezeigt sind, zu erzeugen.

Es ist auch möglich, anfänglich eine gleichförmige Temperatur in der Zone 106 zu erzeugen und die Art zu steuern, in welcher diese ungleichförmig abkühlt, um eine Erstarrung in den richtigen Richtungen zu erhalten, wie dies zuvor in Verbindung mit den Figuren 7 u. 9 beschrieben wurde.

Fig. 22 bis Fig. 24 zeigen einen Wafer, der mit einer Struktur versehen ist, die den Temperaturgradienten über die Zeit, der in Fig. 7 gezeigt ist, erzeugt, wenn die Zone abkühlt. Das Substrat 102 enthält eine thermische Schicht 200, auf welcher die Zone 106 aus Polysilizium angeordnet ist. Die thermische Schicht 200 weist unterschiedliche Maße

der Wärmeleitfähigkeit in deren unterschiedlichen Zonen auf. Die thermische Schicht 200 besteht aus einer ersten Schicht 202 eines guten Wärmeleiters, beispielsweise Polysilizium, das durch irgendeines der bekannten Verfahren, z. B. "CVD", aufgetragen ist. An der Oberseite der ersten Schicht 202 ist eine zweite Schicht 203 eines wärmeisolierenden Materials, beispielsweise SiO_?, durch das Verfahren "CVD" ausgebildet. Die zweite Schicht 203 wird maskiert und durch bekannte Techniken geätzt, um einen "Zaun" 204 zu bilden, der die Zone 106 definiert. An einem Ende der Zone 106 wird ein Abschnitt 206 der zweiten Schicht 203 herausgeätzt, um eine geringfügig größere Tiefe als diejenige des Restes der Zone 106 auszubilden. Dann wird Polysilizium in der Zone 106 begrenzt durch den "Zaun" 204 abgelagert.

Wenn das Substrat 102, das in Fig. 22 bis Fig. 24 gezeigt ist, dem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, wird dieses anfänglich durch und durch erhitzt, nämlich auf eine gleichmäßige Temperatur, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Indessen bildet der Abschnitt 206, wenn sich das Substrat abkühlt, eine Wärmesenke wegen der verringerten Dicke der zweiten Schicht aus dem wärmeisolierenden Material 203. Desweiteren verzögert der "Zaun" 204 den Wärmefluß aus dem geschmolzenen Polysilizium in die Zone 106 in Richtungen, die nicht auf den Abschnitt 206 weisen. Auf diese Weise kühlt sich die Zone 106 in der Weise ab, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, und erstarrt in den Richtungen der Pfeile 108, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

In einem alternativen AusfUhrungsbeispiel ist die zweite Schicht 203 geringfügig verändert, wie dies in Fig. 25 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel vergrößert sich die Dicke einer Schicht 203A graduell von einem Ende der Zone 106 zu dem anderen Ende. Wenn die Zone 106 aus Polysilizium einem gleichförmigen Elektronenstrahl ausgesetzt wird, schmilzt sie und erstarrt dann wieder, wie dies in Fig. 5 u. Fig. 7 gezeigt ist.

In einem weiteren AusfUhrungsbeispiel, wie es in Fig. 26 gezeigt ist, ist die Schicht 203 im wesentlichen derart beschaffen, wie es in Fig. 24 gezeigt ist. Indessen ist die Wirkung der Wärmesenke des Abschnitts 206 durch Vorsehen eines wärmeleitenden Radiators 210, der in Kontakt mit dem Polysilizium in der Zone 206 steht, verstärkt. Der Radiator 210 leitet Wärme von dem Ende der Zone 206 und strahlt diese in die angrenzenden Umgebungsbereiche ab, um das Abkühlungsmuster noch mehr auszuprägen, das durch den Wafer, welcher in Fig. 24 gezeigt ist, erzielt wird.

Es ist auch möglich, das AbkUhlungsmuster, das in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben ist, mehr auszuprägen, und zwar durch Verändern der Einwirkungsmöglichkeit des Elektronenstrahls B auf bestimmte Teile der Zone. Wie in Fig. 27 gezeigt, ist ein Substrat 102 mit Schichten 202 u. 203 vorgesehen, die im wesentlichen wie in Fig. 24 gezeigt angeordnet und beschaffen sind. Eine Maske 212 wird oberhalb der Wärmesenke angeordnet, die durch den Abschnitt 206, der in seiner Stärke reduziert ist, gebildet ist, um zu verhindern, daß das äußere Ende der Zone 106 dem Elektronenstrahl B ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird eine relativ kühlere Zone erreicht, welche den Wärmefluß verstärkt und das Abkühlungsmuster erzeugt, das in Fig. 7 gezeigt ist.

Fig. 28 zeigt eine geringfügige Modifikation des Ausführungsbeispiels, das in Fig. 27 gezeigt ist, wobei eine Maske als ein Radiator ähnlich dem Radiator 210, der in Fig. 26 gezeigt ist, benutzt wird. In Fig. 28 maskiert der Radiator 212' einen Teil des Polysiliziums in der Zone 106, so daß dieser nicht den Elektronen ausgesetzt ist. Zusätzlich wirkt diese, da sie in Kontakt mit dem Polysilizium in der Zone 106 steht, als ein Radiator, um das erforderliche AbkUhlungsmuster weiter auszuprägen.

Es ist auch möglich, einen Wafer aufzubauen, der die Art und Weise, in der die Zone lateral (in der zweiten Richtung oder

x-Richtung) abkühlt, wie dies zuvor in Verbindung mit Fig. beschrieben wurde, steuert.

Fig. 29 bis Fig. 31 zeigen im einzelnen einen derartigen Wafer-Aufbau.

In Fig. 29 enthält das Substrat 102 eine thermische Schicht 200, die auf dem Substrat als Basis aufgebracht ist und aus einer ersten Schicht 202' eines wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht 203' eines wärmeisolierenden Materials besteht. Wie zuvor in Verbindung mit den Figuren 24 bis 26 beschrieben, besteht diese Schicht 2O2¹ typischerweise aus Polysilizium. Nach deren Ablagerung wird diese Schicht geätzt, um einen schmalen Steg 214 zu bilden, der in y-Richtung verläuft, wie dies in Fig. 29 gezeigt ist. An der Oberseite der ersten Schicht 202· aus Polysilizium wird die zweite Schicht 203' des wärmeisolierenden Materials, beispielsweise SiO«, ausgebildet und dann geätzt, um den Querschnitt, der in Fig. 29 gezeigt ist, zu auszubilden. Im einzelnen wird die zweite Schicht 203' geätzt, um den "Zaun" 204 um die Zone 106 herum und einen zentralen Abschnitt 216, der über dem Steg 214 liegt und eine reduzierte Dicke aufweist, zu erzeugen. Die Schicht aus Polysilizium, die den Kristallkeim bilden wird, wird in der Zone 106 abgelagert.

Das Substrat 102 wird dann einem gleichförmigen Elektronenstrahl ausgesetzt, der diese Schicht über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Wenn das geschmolzene Polysilizium in der Zone 106 abkühlt, wird ein Temperaturgradient eingestellt, wie er in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben ist, so daß sich die Richtung der Erstarrung wie in Fig. 5 gezeigt ausbildet. Der Abschnitt mit der reduzierten Dicke der Schicht 203' in der Mitte der Zone 106 wirkt als eine Wärmesenke, um den richtigen Temperaturgradienten in dem sich abkühlenden Polysilizium einzustellen.

In Fig. 30 ist ein geringfügig verändertes Ausführungsbeispiel der in Fig. 29 gezeigten Anordnung dargestellt. In dem

Aufbau des Wafers, der· in Fig. 30 gezeigt ist, wird der Schritt des Ätzens der ersten Schicht 202* aus Polysilizium fortgelassen. Auf diese Weise wird eine gleichförmige Schicht 202 aus Polysilizium gleich der, die in Fig. 24 bis Fig. 26 gezeigt ist, auf das Substrat 102 unterhalb der geätzten Schicht 203' aus SiO₂ aufgebracht. Wenn die Zone 106 aus Polysilizium durch den gleichförmigen Elektronenstrahl geschmolzen wird, wirkt der Bereich 216' mit reduzierter Stärke in dem Zentrum der Zone 106 als eine Wärmesenke ähnlich der, die in Verbindung mit Fig. 29 beschrieben wurde.

In Fig. 31 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Substrat 102 und die erste Schicht 202 sind im wesentlichen

1'5 identisch mit denen, die in Verbindung mit Fig. 30 beschrieben sind. Indessen wird die Schicht aus isolierendem Material geätzt, um eine zweite Schicht 203" mit dem Querschnitt, der in Fig. 31 gezeigt ist, zu erzeugen. Auf diese Weise wird, wenn die Zone 106 einem gleichförmigen Elektronenstrahl ausgesetzt und anfänglich wie in Fig. 9 gezeigt erhitzt wird, diese abgekühlt, und sie erstarrt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Fig. 32 u. Fig. 33 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Gewinnen des Abkühlungsmusters, das in Fig. 5 gezeigt ist. Ein Substrat 102 ist mit einer thermischen Schicht versehen, die aus einer ersten Schicht 202 aus Polysilizium und einer zweiten Schicht 203 aus SiO₂ , wie dies im wesentlichen bereits beschrieben wurde, besteht. Innerhalb eines "Zaunes" 204 umrundet ein Erhitzungselement 218, das aus einem Material besteht, welches Elektronen absorbiert und dadurch erhitzt wird, den Umfang der Zone 106. Dieses Element 218 ist typischerweise aus einem Material mit besonderen Eigenschaften derart, daß ein Parameter kpc (wobei k = thermische Leitfähigkeit in W/cm-⁰C, p= Dichte in g/cm³ und C = in J/g-°C) relativ niedrig ist, beispielsweise unterhalb 1,0, was dem Wert von kpC für Silizium entspricht,

hergestellt ist. Ein typisches Beispiel für ein derartiges Material ist Titan, das einen Wert von kpC = 0,2 aufweist. Qualitativ kann der Parameter kpC als ein Maß dafür betrachtet werden, wie schnell ein Material erhitzt wird, wenn diesem Energie zugeführt wird, wobei Materialien, die sich schneller erhitzen, kleinere Werte für kpC aufweisen. Wenn die Zone 106 dem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, wird das Erhitzungselement 218 erhitzt, und dessen Hitze wird wegen der isolierenden Eigenschaften des "Zaunes" 204 zurückgehalten. Auf diese Weise wird das Abkühlungsmuster, das in Fig. 5 gezeigt ist, weiter ausgeprägt.

Auf diese Weise kann ein Einkristall auf einem verhältnismäßig kostengünstigen Substratmaterial ausgebildet werden.

Der Fachmann erkennt, daß die Ausführungsbeispiele, sofern sie offenbart wurden, in beliebigen Kombination benutzt werden können, um das Erstarrungsmuster, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, zu erreichen. Beispielsweise könnte ein Elektronenstrahl, der einen anfänglichen Temperaturgradienten erzeugt, zusammen mit einem Wafer-Aufbau benutzt werden, der die Erstarrung in den erforderlichen Richtungen unterstützt, oder es könnte ein Wafer-Aufbau benutzt werden, um ein Abkühlungsmuster in einer Richtung zu erzeugen, während die Einrichtung, die benutzt wird, um den Elektronenstrahl zu erzeugen, nur das notwendige Abkühlungsmuster in der anderen Richtung bewirken mußte.

Der Einkristall, der auf diese Weise ausgebildet wird, ist insbesondere dazu bestimmt, als ein Kristallkeim zum Herstellen einer großen Einkristall-Halbleiteranordnung durch Überlaufen mit dem streifenförmigen Elektronenstrahl B, wie er in der US-Patentanmeldung Serial-No. 492,800, eingereicht am 9. Mai 1983 im Namen der Anmelderin auch der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, benutzt zu werden. Auf diese Weise ist es insbesondere zweckmäßig, den gleichen Typ von Elektronenstrahl zu benutzen, um die Zone zu schmelzen, was zu einem länglichen rechteckförmigen Kristallkeim führt, wie

dies hier gezeigt ist. Indessen ist es fUr den Fachmann ersichtlich, daß andere Kristallkeimformen möglich sind.

Nachdem ein Kristallkeim gebildet ist, kann derselbe oder ein gleichartiger Elektronenstrahl benutzt werden, um den Wafer zu überlaufen, um so eine große Einkristall-Halbleiteranordnung gemäß der Offenbarung der zuvor genannten Patentanmeldung herzustellen.

Insbesondere Fig. 34 zeigt schematisch die Verwendung des Elektronenstrahls B, um die Oberfläche des Wafers 100 zu überlaufen. Der Elektronenstrahl B beginnt an einem Ort derart, daß er einen Teil, nicht jedoch die Gesamtheit des Einkristalls in der Zone 106 schmilzt, und er wird dann relativ zu dem Wafer 100 bewegt, um eine geschmolzene Zone in einer Polysiliziumschicht auf dem Substrat zu erzeugen, die zu einem Einkristall aus dem Kristallkeim aufwächst. Wie in Fig. 34 gezeigt, ist ein Abschnitt 114 des Kristallkeims nicht benutzbar und wird im allgemeinen von dem Substrat weggeätzt, bevor dieses von dem Elektronenstrahl überlaufen wird, um die Halbleiteranordnung zu erzeugen.

Fig. 35 bis Fig. 38 zeigen im einzelnen, wie der Kristallkeim benutzt werden kann, um eine große Einkristall-Halbleiteranordnung zu erzeugen.

Fig. 35 zeigt einen Wafer 100, der einen Querschnitt hat, der ähnlich dem in Fig. 30 gezeigten ist. Eine Schicht 220 aus Polysilizium, die benutzt wird, um den Kristallkeim zu bilden, wird generell auf die gesamte Oberfläche des Substrats vor dem Erzeugen des Kristallkeims aufgebracht, eine Einzelheit, die aus der Beschreibung aus Gründen der Klarheit fortgelassen worden ist. Dieser Vorgang spart Fertigungskosten und Fertigungszeit, die erfoderlich wären, um diejenigen Bereiche auf der Oberfläche des Substrats zu maskieren, die nicht zum Ausbilden des Kristallkeims benutzt werden. Im vorliegenden Fall zeigt Fig. 35 den Wafer 100,

nachdem der Kristallkeim in der Zone 106 ausgebildet worden ist.

Fig. 36 zeigt eine chemisch stärker resistente Maske 300, die über der Oberfläche des Wafers abgelagert ist und dann geätzt wird, um eine Seite des "Zaunes" 204 und den Abschnitt der Schicht 220 aus Polysilizium, der nicht durch den Elektronenstrahl B zu einem Kristallkeim ausgebildet worden ist, freizulegen.

In Fig. 37 ist der Wafer 100 gezeigt, nachdem die Schicht 220 aus Polysilizium und eine Seite des "Zaunes" 204 durch Ätzen beseitigt worden ist und nachdem die chemisch stärker resistente Maske 300 entfernt worden ist. Mittels einer herkömmlichen Technik wird dann eine Prozeßschicht aus Polysilizium 302 zum Teil auf den'Kristallkeim aufgebracht, wie dies in Fig. 38 gezeigt ist. Der Wafer 100 gemäß Fig. kann dann von dem Elektronenstrahl B überlaufen werden, wie dies in Flg. 34 gezeigt ist, um eine große Einkristall-Halbleiteranordnung durch laterale epitaxiale Rekristallisation der Prozeßschicht zu bilden.

Fig. 39 zeigt einen Wafer-Aufbau, der das Verhalten des geschmolzenen Polysiliziums, das erzeugt wird, wenn die Schicht 302 von dem Elektronenstrahl B überlaufen wird, diese in der richtigen Richtung erstarren zu lassen, stärker ausprägt.

Wie in der Patentanmeldung Serial-No. 492,800 beschrieben, muß die Richtung der Erstarrung des geschmolzenen Polysiliziums gezielt gesteuert werden, wenn eine Hochqualitäts-Einkristallschicht erzeugt werden soll. Insbesondere sollte sich die Erstarrung für die gesamte Zone, in der der Einkristall herzustellen ist, in derselben Richtung ausbreiten. Der Aufbau, der in Fig. 35 bis Fig. 38 gezeigt ist, sorgt für eine Verstärkung der Tendenz des Polysiliziums, in derselben Richtung fortlaufend zu erstarren, und zwar wegen der

Wärmesenke, die gebildet ist, um den Kristall zu erzeugen. Durch Kinsatz derselben Techniken zum Hilden der großen Einkristall-Halbleiteranordnung, die benutzt wurden, um den Kristallkeim auszubilden, kann diese Tendenz weiter verstärkt werden.

Wie in Fig. 39 gezeigt, kann der Wafer 100, der in Fig. 38 dargestellt ist, mit einem "Zaun" 204 aus SiO» um die Schicht 302 aus Polysilizium herum versehen werden, die den Einkristall bildet, wenn die Zone von dem Elektronenstrahl B überlaufen wird. (Die Darstellung der Ränder des Kristallkeims S und der Schicht 302, die in Fig. 38 gezeigt ist, wurde in Fig. 39 aus Gründen der Klarheit fortgelassen.) Ein Abschnitt reduzierter Stärke 216· bildet eine Wärmesenke, während der "Zaun" 204' den Wärmefluß aus dem Rest der Zone verzögert.

Der Fachmann erkennt, daß jede der Konfigurationen, die in Fig. 29 bis Fig. 31 gezeigt sind, eine Wärmesenke bildet, wenn die Schicht 302 aus Polysilizium überlaufen wird, um einen großen Einkristall zu erzeugen. Zusätzlich kann ein Erhitzungselement gleich dem, das in den Figuren 32 u. 33 gezeigt ist, verwendet werden, um die gewünschte Richtung des Wärmeflusses in der geschmolzenen Polysiliziumzone vorzugeben.

Der Fachmann erkennt außerdem, daß es wünschenswert sein kann, an mehr als einem Ort in dem Pfad des Elektronenstrahls B, während dieser die Wafer-Oberflache überlauft, Kristallkeime zu erzeugen. Es ist leicht ersichtlich, daß es möglich ist, soviel Kristallkeime über die Wafer-Oberflache verteilt, wie als erforderlich angesehen wird, zu erzeugen und diese mit den richtigen Abständen voneinander auszubilden. Beispielsweise kann der Querschnitt, der in den Figuren 29 bis 31 gezeigt ist, sooft wie erwünscht auf der Oberfläche des Substrats wiederholt erzeugt werden, um eine Vielzahl von Kristallkeimorten auf dem Wafer, der in den Figuren

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-29-34 bis 38 gezeigt ist, zu bestimmen.

Auf diese Weise kann eine große Einkristall-Halbleiteranordnung auf einem relativ kostengünstigen Substratmaterial hergestellt werden, da das Substrat nicht die Quelle für den Kristallkeim ist, wie dies in der Technik der Fall ist, die in der Patentanmeldung Serial-No. 492,800 beschrieben ist. Außerdem ist es, weil die Tiefe der geschmolzenen Zone präzise durch Verwendung des Elektronenstrahls, der hierin beschrieben ist, bestimmt werden kann, möglich, einen Kristallkeim in nur dem oberen Abschnitt der Polysiliziumschicht auf dem Substrat zu erzeugen und desweiteren außerdem einen Einkristall in nur dem oberen Abschnitt der PoIysiliziumschicht zu bilden. Unter Benutzung dieser Technik kann eine Einkristallanordnung direkt an der Oberseite einer Schicht aus Polysilizium ausgebildet werden.

Fig. 40 zeigt die Möglichkeit auf, den Elektronenstrahl B zu benutzen, um ein Substrat derart zu überlaufen, daß eine Vielzahl von Kristallkeimen S gebildet werden. Es sei beispielsweise angenommen, daß der Wafer 100 mit einer Vielzahl von Zonen 106, die einen Querschnitt aufweisen, der entweder in der Figur 29 oder 30 oder 31 gezeigt ist, versehen ist. Der Elektronenstrahl B wird dann dazu benutzt, den Wafer zu überlaufen, wie dies in Fig. 40 gezeigt ist. Die erforderliche Ausprägung der Erstarrung in der der ersten Richtung wird durch das Überlaufenlassen des Elektronenstrahls erreicht, wie dies in der Patentanmeldung Serial-No. 492,800 beschrieben ist. Die Temperaturverteilung in der zweiten Richtung über die Zone 106 wird erreicht, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 29 bis 31 beschrieben wurde. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Kristallkeimen S in einem fortlaufenden Prozeß gebildet werden.

In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels, die in Fig. 41 u. Fig. 42 gezeigt ist, wird die Elektronenstrahl-Intensität längs der Längsausdehnung bzw. der Breitenausdehnung

der Katode variiert. Der Wafer 100 mit einer einzigen gleichförmigen Schicht aus Polysilizium, wie dies beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, wird von einem Elektronenstrahl B überlaufen. Auf der Oberfläche des Substrats wird eine Vielzahl von sich abwechselnden heißen und kalten Zonen ausgebildet, wie dies in Fig. 43 gezeigt ist. Das sich ergebende Erstarrungsmuster korrespondiert mit demjenigen, das in Fig. 5 gezeigt ist, und auf diese Weise kann eine Vielzahl von Kristallkeimen ohne Benutzung der unterschiedliehen Konfigurationen von Zäunen, Wärmesenken und Masken, die zuvor beschrieben wurden, gebildet werden. Selbstverständlich kann das Temperaturprofil, das in Fig. 41 gezeigt ist, viele Male über die Breite der Katode wiederholt werden, um eine Vielzahl von Kristallkeimen zu bilden, wenn der Elektronenstrahl den Wafer überläuft. Zusätzlich kann durch Ein- und Ausschalten des Elektronenstrahls ein Muster von Kristallkeimen gleich dem, das in Fig. 40 gezeigt ist, erzeugt werden.

Der Fachmann, erkennt aus den Figuren 10 bis 21, wie die Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls zum Erzielen des Temperaturmusters, das in Fig. 41 u. Fig. 42 gezeigt ist, aufzubauen ist. Beispielsweise kann der Elektronenstrahl, wie er in Fig. 42 dargestellt ist, durch irgendeine der Konfigurationen erzeugt werden, die zuvor beschrieben und in den Figuren 16 bis 21 gezeigt wurden.

Fig. 44 zeigt im einzelnen, wie die allgemeinen Prinzipien, die auf diese Weise beschrieben worden sind, benutzt werden können, um Kristallkeime zu bilden, die irgendeine gewünschte Konfiguration haben. Wie in Fig. 43 gezeigt, hat der Wafer 100 eine thermische Schicht mit einem Querschnitt, der beispielsweise ähnlich dem in in Fig. 24 gezeigten ist. Es ist eine Vielzahl von Zonen 106 einander benachbart und einen Abstand voneinander aufweisend vorgesehen, und es ist eine gemeinsame Wärmesenke in einer Zone 206 vorgesehen, die eine reduzierte Dicke in einer isolierenden Schicht auf-

weist. Wenn der Elektronenstrahl B den Wafer überläuft, wird ein in jeder Zone 106 ein Kristallkeim ausgebildet. Die Längsausdehnung des Elektronenstrahls bewegt sich senkrecht zu den Zonen 106 zum Ausbilden der Kristallkeime, und um die endgültige Anordnung zu erzeugen, überläuft der Elektronenstrahl den Wafer mit seiner Längsausdehnung parallel zu den Kristallkeimen, die in der Zone 106 ausgebildet werden sollen. Die Ausbildung der Kristallkeime kann durch Nichteinschalten des Elektronenstrahls unterstützt werden, bis ein Teil der Zone 206 umgewandelt worden ist, was die Zone 206? sogar kühler macht und den Wärmefluß in der richtigen Richtung unterstützt.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann ersichtlich. Es kann ein große Einkristall-Halbleiteranordnung oder eine Vielzahl solcher Anordnungen, die insgesamt jede gewünschte Konfiguration haben können, leicht und schnell auf einem praktisch beliebigen Substratmaterial hergestellt werden. Es können sowohl die Kosten für das Material gesenkt als auch die Ausbeute der großen Einkristall-Halbleiteranordnungen wesentlich durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erhöht werden.

Zusammenfassend ist für die vorliegende Erfindung folgendes festzustellen:

Ein Wafer zum Herstellen einer Einkristall-Halbeiteranordnung enthält ein Substrat 102 (vergl. Fig. 23 bis Fig. 32 u. Fig. 35 bis Fig. 38) und eine thermische Zone 200 (vergl. Fig. 23), 200' (vergl. Fig. 29). Die thermische Zone besteht aus einer ersten Schicht 202, 202· eines wärmeleitenden Materials auf dem Substrat 102 und einer zweiten Schicht 203, 203' eines wärmeisolierenden Materials auf der ersten Schicht 202, 202'. Eine polykristalline oder amorphe Kristallkeim-Schicht 106 bildet eine Oberfläche auf dem Wafer in einer Zone, die über der thermischen Zone 200, 200' liegt. Die thermische Zone 200, ?00' hat. einen Aufbau

(vergl. ζ. B. Fig. 22 bis Fig. 28 bzw. Fig. 29 bis Fig. 33) derart, daß sie unterschiedliche Raten der Wärmeleitung durch sie als eine Funktion des Abstandes gemessen in zumindest einer ersten Richtung y (vergl. Fig. 1) und einer zweiten Richtung x, die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung liegt, aufweist. Die unterschiedlichen Raten der Wärmeleitung erzeugen in Abhängigkeit von einer Erhitzung einen ansteigenden Temperaturgradienten (vergl. Fig. 3, Fig. 6 u. Fig. 7) inder Kristallkeim-Schicht 106 in der ersten Richtung y und eine in der zweiten Richtung χ höhere Temperatur (vergl. Fig. 4, Fig. 8 u. Fig. 9) an den Rändern der Kristallkeim-Schicht 106 als in deren Mitte. Wenn die Kristallkeim-Schicht 106 geschmolzen ist, nämlich beispielsweise durch einen Elektronenstrahl, sind die Richtungen der Wiedererstarrung daher wie in Fig. 5 gezeigt ausgeprägt, so daß die Kristallkeim-Schicht als ein Einkristall wiedererstarrt .

Die vorliegende Erfindung wurde anhand mehrerer spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß zahlreiche Modifikationen ausgeführt werden können, ohne daß dazu der allgemeine Erfindungsgedanke oder der Schutzumfang verlassen werden müßte.

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Ansprüche:

1. Wafer-Aufbau zum Herstellen einer Einkristall-Halbleiteranordnung, die ein Substrat hat, das eine polykristalline 5 oder amorphe Kristallkeim-Schicht trägt, dadurch gekennzeichnet , daß eine thermische Zone (200, Fig. 23; 200', Fig. 29) vorgesehen ist, die zwischen dem Substrat (102, Fig. 23 bis Fig. 32 und Fig. 35 bis Fig. 38) und der polykristallinen oder amorphen Schicht (106) ange-

10 ordnet ist, daß die polykristalline oder amorphe Kristallkeim-Schicht (106) eine Oberfläche auf dem Wafer in einer Zone bildet, die der thermischen Zone (200; 200') überlagert ist, und daß die thermische Zone (200 200') unterschiedliche Raten für die Wärmeleitung durch diese als eine Funktion des

15 Abstandes, der in zumindest einer ersten Richtung (y, Fig. 1) und einer zweiten Richtung (x), die im wesentlichen

ORIGINAL INSPECTED

senkrecht zu der ersten Richtung liegt, gemessen wird, aufweist, wobei die unterschiedlichen Raten der Wärmeleitung aufgrund einer Erhitzung einen ansteigenden Temperaturgradienten (Fig. 3, Fig. 6 u. Fig. 7) in der Kristallkeim-Schicht (106) in der ersten Richtung (y) und eine höhere Temperatur (Fig. 4, Fig. 8 u. Fig. 9) an den Rändern der Kristallkeim-Schicht (106) als in deren Mitte in der zweiten Richtung (x) erzeugen.

2. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Zone (200; 200') eine erste Schicht (202; 202') eines wärmeleitenden Materials auf dem Substrat (102) und eine zweite Schicht (203; 203') eines wärmeisolierenden Materials auf der ersten Schicht (202;, 202·) enthält und daß die zweite Schicht (203; 203') einen "Zaun" (204), der die Zone der Kristallkeim-Schicht (106) umgibt, und einen Bereich (203, 206; 203', 216), der unter der Zone liegt und in verschiedenen Teilen davon eine unterschiedliche Dicke aufweist, enthält.

3. Wafer-Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Zone (200) die Rate der Wärmeleitung durch sie als eine Funktion des Abstandes gemessen in der ersten Richtung (y) variiert.

4. Wafer-Aufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der untenliegende Bereich (203, 206) aus einem ersten Teilbereich (203), der eine im wesentlichen gleichförmige Dicke in der ersten Richtung (y) hat, und einem zweiten Teilbereich (206) an einem Ende der Zone, der eine reduzierte Dicke relativ zu dem ersten Bereich hat (z. B. Fig. 24, Fig. 26 bis Fig. 28), besteht.

5. Wafer-Aufbau nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der untenliegende Bereich in seiner Dicke graduell als eine Funktion des Abstandes gemessen in der ersten Richtung (y) anwächst (Fig. 25).

6. Wafer-Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß desweiteren ein wärmeabstrahlendes Element (210, 212') vorgesehen ist, das in Kontakt mit der Kristallkeim-Schicht (106) steht.

7. Wafer-Aufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeabstrahlende Element (210, 212') in der ersten Richtung (y) nahe dem einen Ende der Zone angeordnet ist.

8. Wafer-Aufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeabstrahlende Element (210) in die Kristallkeim-Schicht (106) eingebettet ist.

9. Wafer-Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zone (200·) die Rate die Wärmeleitung durch sie als eine Funktion des Abstandes gemessen in der zweiten Richtung (x) varriert.

10. Wafer-Aufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der untenliegende Bereich eine Wärmesenkenzone enthält, die im wesentlichen zentral in der Zone (Fig. 29 bis Fig. 31 u. Fig. 35 bis Fig. 38) gemessen in der zweiten Richtung (x) angeordnet ist und eine reduzierte Dicke relativ zu dem Rest des Bereiches hat.

11. Wafer-Aufbau nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmesenkenzone bzw. der verbleibende Teil im wesentlichen gleichförmige Dicken haben (Fig. 29, Fig. 30 u. Fig. 35 bis Fig. 38).

12. Wafer-Aufbau nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (202') einen Bereich verstärkter Dicke (214) aufweist, der unter der Wärmesenkenzone liegt.

13. Wafer-Aufbau nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Schicht (203", Fig. 31) eine erste Dicke, die im wesentlichen in dem Zentrum gemessen in der zweiten Richtung (x) besteht, hat und sich graduell in der Dicke in Richtung auf deren Ränder als eine Funktion des Abstandes gemessen in der zweiten Richtung verstärkt.

14. Wafer-Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß desweiteren ein Heizelement (218, Fig. 32 u. Fig. 33) vorgesehen ist, das zwischen dem "Zaun" (204) und der Kristallkeim-Schicht (106) angeordnet ist, und daß das Heizelement (218) aus einem Material besteht, für das ein Parameter kpC (wobei k die thermische Leitfähigkeit in W/cm ⁰C, p die Dichte in g/cm und C die spezifische Wärme in J/g ⁰C) bedeuten) gegeben ist, der geringer als 1.0 ist.

15. Wafer-Aufbau nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement (218) aus einem Material besteht, für das der Parameter k C ungefähr 0.2 ist.

16. Wafer-Aufbau nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement (218) aus Titan hergestellt ist.

17. Wafer-Aufbau nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die erste Schicht (202, 202') aus Polysilizium hergestellt ist, daß die zweite Schicht (203, 203') aus Siliziumdioxid hergestellt ist und daß die Kristallkeim-Schicht (106) aus Polysilizium hergestellt ist.

18. Wafer-Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeisolierende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Siliziumdioxid und Siliziumnitrid umfaßt.

19. Wafer-Aufbau nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das wäremisolierende Material Siliziumdioxid ist.

20. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die polykristalline oder amorphe Schicht (106) aus Polysilizium hergestellt ist.

21. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (102) aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Quarz, Saphir und kristallines Silizium, Germanium und Galliumarsenid umfaßt.
10

22. Wafer-Aufbau nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (102) aus einem Einkristall-Halbleitermaterial besteht, das in sich eine Halbleiteranordnungszone aufweist, und daß die thermische Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

23. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die polykristalline oder amorphe Kri-

fjtm

stallkeimschicht zwischen 0,5 und 1,0 dick ist. 20

24. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Zone (200, 200') eine erste Schicht (202, 202') eines wärmeleitenden Materials auf dem Substrat und eine zweite Schicht (203, 203') eines wärmeisolierenden Materials auf der ersten Schicht (202, 202') enthält, daß das Substrat (102) eine Vielzahl der Zonen enthält, die an deren einem Ende in der ersten Richtung (y) einen gemeinsamen Bereich (Fig. 44) aufweisen, unter dem ein Abschnitt der zweiten Schicht liegt, der eine Dicke hat, die geringer als die Dicke des Restes der zweiten Schicht ist, und daß die zweite Schicht einen "Zaun" (204) enthält, der im wesentlichen die Zonen und den gemeinsamen Bereich umgibt.

25. Wafer-Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufbau im wesentlichen einen Einkristallkeim (S, Fig. 35 bis Fig. 38) auf der thermischen

Zone, der sich in einer ersten Richtung erstreckt, und eine polykristalline oder amorphe Prozeßschicht (302) auf der
thermischen Zone, die eine Oberfläche des Wafers bildet,
welche einen Bereich abdeckt, der auf einer Seite durch den Kristallkeim (S) begrenzt ist, und sich in einer zweiten
Richtung (x) fort von dem Kristallkeim (S) und senkrecht zu der ersten Richtung (y) erstreckt, aufweist, daß die polykristalline oder amorphe Prozeßschicht (302) in Kontakt mit dem Kristallkeim (S) steht und daß die thermische Zone unterschiedliche Raten der Wärmeleitung durch sich als eine
Funktion des Abstandes gemessen in der zweiten Richtung (x) zum Erzeugen eines in der zweiten Richtung (x) aufgrund der Erhitzung ansteigenden Temperaturgradienten aufweist.

26. Wafer-Aufbau nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Zone (Fig. 35 bis Fig. 38) eine erste Schicht (202) eines wärmeleitenden Materials auf dem Substrat (102) und eine zweite Schicht (203) eines
wärmeisolierenden Materials auf der ersten Schicht (202)

enthält und daß die zweite Schicht (203) einen "Zaun" (204) enthält, der zumindest einen Teil der Begrenzung der polykristallinen oder amorphen Schicht (302), der verschieden
von dem Teil der Begrenzung ist, der in Kontakt mit dem
Kristallkeim (S) steht, und einen in der Dicke reduzierten

Abschnitt (216¹) nahe dem Kristallkeim (S) umgibt.

27. Wafer-Aufbau nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß der in der Dicke reduzierte Abschnitt (216·) unter dem Kristallkeim (S) liegt und daß der Rest der zweiten Schicht (203) eine gleichförmige Dicke aufweist.

28. Wafer-Aufbau nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (102) aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Glas,

Quarz, Saphir und kristallines Silizium, Germanium und Galliumarsenid umfaßt.

29. Wafer-Aufbau nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (202) aus Polysilizium hergestellt ist, daß die zweite Schicht (203) aus Siliziumdioxid hergestellt ist, daß der Kristallkeim (S) aus Silizium hergestellt ist und daß die Prozeßschicht (302) aus Polysilizium hergestellt ist.