DE2114593A1 - Zone recrystallization process for thin layers - Google Patents

Zone recrystallization process for thin layers

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DE2114593A1 DE19712114593 DE2114593A DE2114593A1 DE 2114593 A1 DE2114593 A1 DE 2114593A1 DE 19712114593 DE19712114593 DE 19712114593 DE 2114593 A DE2114593 A DE 2114593A DE 2114593 A1 DE2114593 A1 DE 2114593A1
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Description

Zonenrekristallisationsverfahren dünner SchichtenZone recrystallization process for thin layers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Oberflächenschichten von hoher Homogenität und chemischer Reinheit. Dabei ist unter Oberflächenschicht entweder eine Teilschicht eines polykristallinen oder monokristallinen Materialblockes oder eine amorphe, polykristalline oder monokristalline Schicht, die auf ein Fremdsubstrat aufgebracht ist, zu verstehen.The invention relates to a method for producing thin crystalline surface layers of high homogeneity and chemical purity. Here, the surface layer is either a partial layer of a polycrystalline or a monocrystalline Block of material or an amorphous, polycrystalline or monocrystalline layer that is applied to a foreign substrate is to understand.

Beim Züchten von Kristallen oder Abscheiden von kristallinen Schichten entstehen immer Kristallkörper bzw. -schichten, die raehr oder weniger mit Fehlern behaftet sind. Beispielsweise können Gitterversetzungen auftreten oder Verunreinigungen, d.h. Fremdatome im Kristallgitter. Darüber hinaus gibt es auch eine strukturelle Fehlordnung. Dazu gehören die geometrischen Abweichungen der Gitterbausteine vom streng geordneten Gitteraufbau. When growing crystals or depositing crystalline layers, there are always crystal bodies or layers that are more or less flawed. For example, lattice dislocations can occur or impurities, i. Foreign atoms in the crystal lattice. In addition, there is also a structural disorder. This includes the geometric deviations the lattice blocks from the strictly ordered lattice structure.

Häufig tritt in Kristallen die Frenkelfehlordnung und die Schottky-Fehlordnung auf. Im erstem Fall handelt es 3ich um Leerstellen im Kationenteilgitter oder um Kationen auf Zwischengitterplätzen, im zweiten Fall um Leerstellen im Kationen- und Anionenteilgitter.Frenkel disorder and Schottky disorder often occur in crystals. In the first case it concerns 3ich about Vacancies in the cation sublattice or around cations on interstitial sites, in the second case around vacancies in the cation and Anion sublattice.

Bekanntlich lassen sich eine Reihe von Verfahren zur Verbesserung der Kristallqualität, zur Homogenisierung und Reinigung massiver Kristallkörper anwenden. Erwähnt sei hier vor allem das Zonenschmelzverfahren, das mit gutem Erfolg auf stabförmige, insbesondere Halbleiter-Kristalle angewandt wird. Hierbei wird an den zu behandelnden Kristallstab mittels einer HF-Spule auf elektrischem V/ege soviel Energie abgegeben, daß an der Spulen-As is known, a number of methods for improving the crystal quality, for homogenization and purification can be used apply solid crystal body. Above all, the zone melting process should be mentioned here, which has been successfully applied to rod-shaped, in particular semiconductor crystals is used. Here, an RF coil is applied to the crystal rod to be treated electrical V / ege given off so much energy that the coil

VPA 9/712/0030 WR/BKVPA 9/712/0030 WR / BK

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209846/0973209846/0973

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stelle eine geschmolzene Zone entsteht. Läßt man nun die Spule langsam über die Länge des States hinwegwandern, so wird sukzessive am hinteren Ende der Schmelzzone geschmolzenes Material wieder rekristallisiert, während Material am vorderen Ende der Zone geschmolzen wird. Haben die in der Schmelzzone enthaltenen Verunreinigungen einen Verteilungskoeffizienten 4^ 1, so enthält der rekristallisierte Kristallstab gegenüber dem Ausgahgsstab einen höheren Grad der Reinheit. Durch Wiederholung derartiger Schmelzprozesse erhält man Kristallstäbe höherer Reinheit. Die Verunreinigungen wandern bei diesen Prozessen zum Kristallende. Durch dieses Verfahren lassen sich auch monokristalline Körper aus polykristallinen erzeugen, wenn ein Keim vorgegeben wird oder wenn geeignete Maßnahmen zur Keimauswahl getroffen werden. Dazu kann ein stabförmiger Polykristall, z.B. an dem Ende, an dem das Zonenziehverfahren beginnen soll, stark verdünnt werden. Im Dünnhals wachsen dann nur die in Stabrichtung orientierten Kristallkeime weiter, während schräg wachsende Keime am Rande enden. Auf diese Weise bleibt in der Regel nur noch ein Keim übrig, an dem dann der Einkristall wächst.create a molten zone. If the coil is now allowed to move slowly over the length of the state, material that is melted at the rear end of the melting zone is successively recrystallized again, while material at the front end of the zone is melted. If the impurities contained in the melting zone have a distribution coefficient of 4 ^ 1, the recrystallized crystal rod contains a higher degree of purity than the output rod. By repeating such melting processes, crystal rods of higher purity are obtained. In these processes, the impurities migrate to the end of the crystal. This process can also be used to produce monocrystalline bodies from polycrystalline ones if a nucleus is specified or if suitable measures are taken to select the nucleus. For this purpose, a rod-shaped polycrystal, for example at the end at which the zone pulling process is to begin, can be heavily thinned. In the thin neck, only the crystal nuclei oriented in the direction of the rod then continue to grow, while nuclei growing at an angle end at the edge. In this way, there is usually only one nucleus left on which the single crystal then grows.

Eine Verbesserung der Kristallqualität wird auch erreicht, wenn das in der Heizzone befindliche Material nur bis an den Schmelzpunkt herangeführt wird, da nunmehr eine Rekristallisation in der festen Phase erfolgt.An improvement in the crystal quality is also achieved if the material in the heating zone only reaches the Melting point is brought up, since now a recrystallization takes place in the solid phase.

Auf diese V/eise erhält man einen Kristallstab von höherer chemischer und auch struktureller Reinheit.In this way a crystal rod of higher chemical and structural purity is obtained.

Diese Verfahren sind jedoch nur zur Reinigung von massiven Kristallkörpern bekannt.However, these methods are only known for cleaning massive crystal bodies.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Verfahren zu übertragen auf die Rekristallisation von dünnen Oberflächenschichten, wobei neue Lösungswege beschritten werden.The object of the invention is to transfer this method to the recrystallization of thin surface layers, with new solutions are pursued.

VPA 9/712/0030 - · -3-VPA 9/712/0030 - -3-

2098Λ6/0973 - 2098Λ6 / 0973 -

21H59321H593

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine dünne einkristalline, polykristalline, amorphe Oberflächenschicht geringer Homogenität und chemischer Reinheit zonenweise-von einem energiereichen Strahlenbündel überstrichen wird und hierdurch das in den bestrahlten Zonen befindliche Material zum Schmelzen gebracht wird oder nur bis an den Schmelzpunkt herangeführt wird und nach dem Weiterwandern der Zone wieder rekristallisiert.This object is achieved according to the invention in that a thin single-crystalline, polycrystalline, amorphous surface layer low homogeneity and chemical purity zone-wise-is swept over by an energetic beam and thereby the material in the irradiated zones is brought to melt or only brought up to the melting point is and recrystallized again after the zone has moved on.

Zur Vermeidung von thermischen Spannungen im Kristall wird man vorteilhafterweise eine Yorheizung der Oberflächenschicht einschließlich eines Trägers oder einer Grundschicht, auf der sich die Oberflächenschicht befindet, auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der dünnen Schicht durchführen.To avoid thermal stresses in the crystal, it is advantageous to include pre-heating of the surface layer a carrier or a base layer on which the surface layer is located, to a temperature below the melting point of the thin layer.

Will man auf amorphen, polykristallinen oder monokristallinen Körpern monokristalline Oberflächenschichten hoher struktureller Ordnung erzeugen, so sollte man insbesondere in der Oberflächenschicht monokristalline Keime isolieren. Monokristalline Keime in der Schicht erhält man, wenn man vor ihrer Bestrahlung die Schicht an der Stelle sehr fein zuspitzt oder zu einem Dünnhals formt, an der das Zonenrekristallisationsverfahren beginnen soll. Beim Überstreichen der heißen Zone über die Kristallschicht werden dann nur diejenigen Kristalle weiterwachsen, die im Bereich der Spitze oder des Dünnhalses in der Längsrichtung der Schicht orientiert sind; schräg dazu orientierte Kristallkeime laufen sich dann am Rande tot.If one wants to have monocrystalline surface layers of high structural strength on amorphous, polycrystalline or monocrystalline bodies To create order, one should isolate monocrystalline nuclei, especially in the surface layer. Monocrystalline seeds in the layer is obtained if the layer is very finely tapered at the point or into a thin neck before it is irradiated forms at which the zone recrystallization process is to begin. When sweeping the hot zone over the Then only those crystals will continue to grow in the crystal layer in the area of the tip or the thin neck in the Are oriented in the longitudinal direction of the layer; Crystal seeds oriented at an angle to this then run dead on the edge.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird insbesondere aus einer Strahlungsquelle bestehen, die einen Strahl mit bandförmigen Querschnitt erzeugt, aus einer Antriebseinrichtung zur gleichförmigen Fortbewegung der Strahlungsquelle sowie aus einer Einspannvorrichtung für den zu behandelnden Kristall. ßs Strahlungsquelle eignet sich insbesondere ein Laser, eine Schlitzantenne oder ein Glühdraht, der dem Kristall eng benachbart ist oder über einen Spiegel oder eine Linse auf dieThe device for carrying out the method will in particular consist of a radiation source which generates a beam with a band-shaped cross-section, a drive device for uniformly moving the radiation source and a clamping device for the crystal to be treated. As a radiation source, a laser, a slot antenna or a filament that is closely adjacent to the crystal or via a mirror or lens is particularly suitable

VPA 9/712/0030 -4-VPA 9/712/0030 -4-

209846/0973209846/0973

■ 21H593■ 21H593

-4-Oberflache abgebildet wird.-4 surface is mapped.

Es ist von Vorteil, auf einer Schiene mehrere Strahlungsquellen fahrbar anzuordnen, die alle auf der Kristallschicht Schmelzzonen erzeugen.It is advantageous to arrange several radiation sources so they can be moved on a rail, all of them on the crystal layer Create melt zones.

Die Erfindung soll anhand eine3 Ausführungsbeispiels durch die nachfolgend aufgeführten Figuren näher beschrieben werden. Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die Figur 2 eine zur Keimauswahl präparierte Kristall« schicht, Figur 3 einen Ausschnitt der Figur 2 und die Figur . 4 eine Kristallschicht mit mehreren Schmelzzonen.The invention is to be described in more detail with reference to an exemplary embodiment by means of the figures listed below. FIG. 1 shows a device for carrying out the method, FIG. 2 shows a crystal prepared for seed selection. layer, Figure 3 shows a section of Figure 2 and the figure. 4 a crystal layer with several melting zones.

In dem in der Figur 1 dargestellten Beispiel ist ein Laserstrahlensender 1 gezeichnet, an den sich eine optische Anordnung 2 anschließt, die den Laserstrahl so umformt, daß ein flächenhaftes Strahlenbündel 3 entsteht. Der Lasersender 1 und die Optik 2 sind auf einer Schiene 4 so angeordnet, daß sie sich von einem Motor getrieben mit einer einstellbaren Geschwindigkeit von 1 bis 5 cm/Stunde längs der Schiene bewegen können. Der flächenhafte Strahl 3 fällt auf die dünne kristalline Oberflächenschicht"5, in der eine längliche im Vergleich zu wenigstens einer der lateralen Schichtabmessungen kleine Schmelzzone 6 erzeugt wird. Die Schicht 5 ist wiederum auf einen Tragkörper 7 aufgebracht, fc der durch eine Einspannvorrichtung 8 gehalten wird. Nicht gezeichnet ist eine Heizvorrichtung zur Aufheizung des Tragkörpers 7 und der Schicht 5 auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der dünnen Kristallschicht.In the example shown in FIG. 1, there is a laser beam transmitter 1 drawn, followed by an optical arrangement 2, which reshapes the laser beam so that a flat Beam 3 is created. The laser transmitter 1 and the optics 2 are arranged on a rail 4 so that they are of a Motor-driven can move along the rail at an adjustable speed of 1 to 5 cm / hour. The planar one Ray 3 falls on the thin crystalline surface layer "5, in which an elongated melting zone 6, which is small compared to at least one of the lateral layer dimensions, is produced. The layer 5 is in turn applied to a support body 7, which is held by a clamping device 8. Not drawn is a heating device for heating the support body 7 and the layer 5 to a temperature below Melting point of the thin crystal layer.

Die Vorrichtung ermöglicht es, die Schmelzzone 6 auf der Kristallschicht 5 von vorn nach hinten mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 5 cm/Stunde zu durchfahren. Da die Oberflächenschicht einschließlich des Tragkörpers bereits vorgeheizt ist, wird von der Strahlungsquelle nur so viel Energie an die Kristallschicht 5 abgegeben v/erden müssen, daß diese schmilzt, oder an den Schmelzpunkt herangeführt wird. Bewegt sich nun die Schmelz-The device enables the melting zone 6 on the crystal layer 5 from front to back at a speed of 1 to 5 cm / hour. Because the surface layer including the support body is already preheated, the radiation source only sends as much energy to the crystal layer 5 must be released so that it melts or is brought to the melting point. If the melting

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zone 6 in der Figur nach hinten weiter, so wird an der Grenzlinie 9 der Schmelzzone 6 eine Rekristallisation des geschmolzenen Materials einsetzen, wobei das auskristallisierte Material in der Regel von höherer Reinheit ist als das geschmolzene. Auf diese Weise kommt es-außer zu einer Reinigung der Kristallschicht 5 von Verunreinigungen auchnoch zu einer Steigerung der Kristallperfektion der Schicht. Diese Reinigung der Schicht 5 wie auch die Kristallperfektion der neuentstehenden Schicht wird um so besser sein, je öfter die Schmelzzone 6 über die Kristallfläche 5 gefahren wird.zone 6 in the figure further to the rear, a recrystallization of the molten material occurs at the boundary line 9 of the melting zone 6 Use material, whereby the crystallized material is usually of higher purity than the molten one. In this way, in addition to cleaning the crystal layer 5 from impurities, there is also another Increase in the crystal perfection of the layer. This cleaning of the layer 5 as well as the crystal perfection of the newly emerging The more often the melting zone, the better the layer will be 6 is moved over the crystal surface 5.

Die Herstellung einer monokristallinen Oberflächenschicht von hoher Homogenität aus amorphen, polykristallinen oder mohokristallinen Schichten geringerer Homogenität wird anhand der Figuren 2 und 3 erläutert. 5 bedeutet hier wieder die Oberflächenschicht, diesmal von oben gesehen, die auf dem Tragkörper 7 aufgebracht ist. Vor dem Rekristallisationsverfahren sind Teile der Kristallschicht 5 v/eggeätzt worden, wobei danach die neuen Schichtgrenzlinien 10 entstanden sind. Unter der Schicht 5 wird an den geätzten Stellen der Kristallschicht der Tragkörper 7 sichtbar. An der sehr engen Stelle 11 der Schürt 5 liegen nur sehr wenig in verschiedenen Richtungen orientierte Kristalle vor. Diese enge Stelle 11 ist in der Figur 3 vergrößert dargestellt. Wird nun die Schmelzzone 6 über die Kristallschicht von oben nach unten gezogen, so wachsen nur diejenigen Kristalle nach unten weiter, die eine Orientierung in Längsrichtung H der Kristallschicht aufweisen. Anders orientierte Kristalle an der engen Stelle 11 der Schicht 5 wachsen z.B. in den Richtungen 12 und 13 zum · Rande hin, v/o sie sich totlaufen. Auf diese Weise entsteht also eine monokristalline Schicht hoher Qualität.The production of a monocrystalline surface layer of high homogeneity from amorphous, polycrystalline or mohocrystalline Layers of lower homogeneity are explained with reference to FIGS. 2 and 3. 5 here again means the surface layer, this time seen from above, which is applied to the support body 7. Before the recrystallization process parts of the crystal layer 5 have been etched, after which the new layer boundary lines 10 have arisen. Under of the layer 5, the support body 7 becomes visible at the etched points of the crystal layer. At the very narrow point 11 of the Stoke 5 only contains very few crystals oriented in different directions. This narrow point 11 is in the Figure 3 shown enlarged. If the melting zone 6 is now drawn over the crystal layer from top to bottom, so only those crystals continue to grow downwards which have an orientation in the longitudinal direction H of the crystal layer. Differently oriented crystals at the narrow point 11 of the layer 5 grow e.g. in the directions 12 and 13 to the Verge, v / o they run dead. In this way, a monocrystalline layer of high quality is created.

Die Figur 4 zeigt wieder die Oberflächenschicht 5» auf der nunmehr mehrere Schmelzzonen 6 eingetragen sind, die durch entsprechend viele in der Vorrichtung angeordnete Strahlungsquellen erzeugt werden. Diese Schmelzzonen laufen gleichzeitig über die Fläche 5 hinweg, so daß also ein Bereich mehrmals von denFIG. 4 again shows the surface layer 5 'on the now several melting zones 6 are entered, which are generated by a corresponding number of radiation sources arranged in the device be generated. These melting zones run simultaneously across the surface 5, so that an area several times from the

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. 2.1H593. 2.1H593

Schmelzzonen durchfahren wird und dadurch d-f.e Qualität der Kristallschicht weiter verbessert wird. Durch eine solche Anordnung wird die chemische Reinigung "bzw. strukturelle Verbesserung schneller durchgeführt als mit einem Aufbau mit nur einem flächenhaften Strahl, der jedoch auch mehrmals über die Fläche gefahren werden kann.Melting zones is passed through and thereby d-f.e quality of the Crystal layer is further improved. Such an arrangement enables chemical cleaning or structural improvement carried out more quickly than with a structure with only one extensive beam, which, however, can also be repeated several times can be driven over the area.

Bevorzugte Anwendungsbereiche der Erfindung sind zu sehen bei der Verbesserung epitaxial aufgewachsener Schichten von Halbleitern, wie Si, Ge, Ga-As auf Fremdsubstrat (Saphir, Mg-Al-Spinell, oder Quarz), und in der Kristallisation von durch Verdampfung gewonnenen dünnen Halbleiterschichten.Preferred areas of application of the invention can be seen at the improvement of epitaxially grown layers of semiconductors, such as Si, Ge, Ga-As on foreign substrates (sapphire, Mg-Al-spinel, or quartz), and in the crystallization of thin semiconductor layers obtained by evaporation.

8 Patentansprüche 4 Figuren8 claims 4 figures

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Claims (8)

Patentan s.p r ü c h ePatent p r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Oberflächenschichten von hoher Homogenität und chemischer Reinheit, dadurch gekennzeichnet , daß eine dünne einkristalline, polykristalline oder amorphe Oberflächenschicht geringer Homogenität und chemischer Reinheit von einem energiereichen Strahlenbündel überstrichen wird, und hierdurch das in den bestrahlten Zonen befindliche Material zum Schmelzen gebracht wird oder nur bis an den Schmelzpunkt herangeführt wird und nach dem Weiterwandern der Zone wieder rekristallisiert.1. Process for the production of thin crystalline surface layers of high homogeneity and chemical purity, characterized in that a thin monocrystalline, polycrystalline or amorphous surface layer of poor homogeneity and chemical purity of a high-energy beam is swept over, and thereby the material located in the irradiated zones is brought to melt or only up to the melting point is brought up and recrystallized again after the zone has moved on. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorheizung der Oberflächenschicht einschließlich eines Trägers oder einer Grundschicht auf der sich die Oberflächenschicht befindet, auf eine Temperatur2. The method according to claim 1, characterized that a preheating of the surface layer including a carrier or a base layer on the the surface layer is at a temperature • unterhalb des Schmelzpunktes der Oberflächenschicht durchgeführt wird.• Carried out below the melting point of the surface layer will. 3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß vor dem Verfahren monokristalline Keime in der Oberflächenschicht , vorzugsweise durch Ausbildung eines dünnen Halses, dort isoliert werden, v/o mit dem Zonenrekristallisationsverfahren begonnen wird.3 · Method according to claims 1 and 2, characterized in that g e k e η η draws that before the process monocrystalline nuclei in the surface layer, preferably by training a thin neck, to be isolated there, v / o the zone recrystallization process is started. 4· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3» gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle, die einen Strahl mit bandförmigen Querschnitt erzeugt, eine Antriebseinrichtung zur gleichförmigen Fortbewegung der Strahlungsquelle sowie eine Einspannvorrichtung für den zu behandelnden Kristall.4 · Device for carrying out the method according to the claims 1 to 3 »characterized by a radiation source, which is a beam with ribbon-shaped Cross-section generated, a drive device for uniform movement of the radiation source and a clamping device for the crystal to be treated. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch. gekennzeich. net , daß die Strahlungsquelle ein Laserssnder ist.5. Apparatus according to claim 4, characterized. marked net that the radiation source is a laser transmitter. VPA 9/712/0030 -8-VPA 9/712/0030 -8- 209846/0973209846/0973 2ΊΗ5932,593 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlungsquelle eine Schiitsantenne ist.6. Apparatus according to claim 4, characterized that the radiation source is a Schiitsantenne. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlungsquelle ein Glühdraht ist, der dem Kristall eng benachbart ist oder über einen Spiegel oder eine Linse auf die Oberfläche abgebildet wird.7. Apparatus according to claim 4, characterized that the radiation source is a filament that is closely adjacent to the crystal or via a mirror or a Lens is imaged on the surface. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß auf einer Schiene mehrere Strahlungsquellen fahrbar angeordnet sind, die alle auf der Kristallschicht Schmelzzonen erzeugen.8. The device according to one or more of claims 4 to 7 »characterized in that on one Rail several radiation sources are movably arranged, all of which generate melting zones on the crystal layer. VPA 9/71 P/0030VPA 9/71 P / 0030 209846/09 7. 3209846/09 7. 3
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