DE3502757A1 - Verfahren und einrichtung zum herstellen von kristallkeimen fuer einkristall-halbleiteranordnungen - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum herstellen von kristallkeimen fuer einkristall-halbleiteranordnungenInfo
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Description
Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von Kristallkeimen für Einkristall-Halbleiteranordnungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, insbesondere auf große Einkristall-Halbleiteranordnungen
und Verfahren sowie Einrichtungen zur Herstellung von Kristallkeimen, die benutzt werden, um derartige Anordnungen
herzustellen.
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 Punktlaserstrah1, 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 gleichför-
migen einkristallinen Struktur mangelt. Herkömmliche Punktstrahl-Energiequellen,
wie beispielsweise Graphit-Streifenheizelemente 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, ein Verfahren zum Erzeugen eines Einkristalls zur Verwendung zum
Herstellen einer Einkristall-Halbleiteranordnung zu schaffen,
das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Außerdem besteht die Aufgabe für die vorliegende Erfindung
darin, ein Verfahren zum Bilden eines Einkristallkeims in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf
einem Substrat zu schaffen. Desweiteren besteht die Aufgabe für die Erfindung darin, eine Einrichtung zum Bilden eines
Einkristallkeims in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat zu schaffen.
35
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Bilden eines Einkristalls in einer polykristallinen oder amorphen
Schicht auf einem Substrat vorgeschlagen, das erfindungsgemäß
Schritte zum Schmelzen einer Zone der Schicht und zum nachfolgenden Abkühlen der geschmolzenen Zone derart vorsieht,
daß die Erstarrung längs einer ersten Richtung und nach außen in Richtung auf die Ränder der Zone in einer
zweiten Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung liegt, fortschreitet.
Zur Lösung der Aufgabe ist außerdem eine Einrichtung zum Bilden eines Einkristalls in einer polykristallinen oder
amorphen Schicht auf einem Substrat vorgesehen, die erfindungsgemäß eine thermionische Katode zum Erzeugen eines
Elektronenstrahls zum Schmelzen einer Zone der Schicht enthält, welche Katode sich in den senkrecht zueinanderliegenden
ersten und zweiten Richtungen erstreckt, und die eine Steuereinrichtung zum Steuern der Energie enthält, die in
die Zone durch den Elektronenstrahl eingebracht wird, um zumindest einen Temperaturgradienten in einer der ersten und
zweiten Richtungen zu erzielen.
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20
Die genannte und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden anhand
von bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele für die Erfindung betreffenden Figuren im einzelnen erläutert.
25
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. 4 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.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Diagramm des Temperaturgradienten über die Zeit in der Zone, die in Fig. 1 gezeigt
ist, in der ersten Richtung.
20
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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 Waferaufbauten 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.
Fig. 32 u. Fig. 33 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Wafer-Aufbauten, die in Fig. 22 bis Fig.
gezeigt sind.
15
15
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. 20
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 polykristallinen
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.
35
35
Fig. 43 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Wafers gleich dem, der in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die
-ie- "3S02757
Temperaturverteilung dargestellt ist, die in der
Keimzone durch die Ausführungsbeispiele, 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 Mikron 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 insbe-
sondere 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 SiO2
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 "xu- 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 14000C, 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 SiIizium
abkühlt, erstarrt diese. Zu einem Zeitpunkt t. erstarrt
beispielsweise die Zone 106 bei y., , bei einem Zeitpunkt t„
erstarrt die Zone 106 bei y? 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, y~, y„ usw. zu
den Zeitpunkten t., t„ bzw. t„ 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.
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längs der x-Achse) erzielt wird. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann
die Zone 106 anfänglich derart erhitzt werden, daß ein Temperaturgradient, der als T initial gekennzeichnet ist, einzustellen
ist. Dann erstarren in dem Maße, wie sich die Zone 106 abkühlt, die Orte X1, x2 u. X3 zu Zeitpunkten t1, t?
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.
gezeigt ist, und dann ungleichförmig abgekühlt werden. In diesem Fall verläuft die Erstarrung wie graphisch in Fig.
dargestellt, was im übrigen mit der Richtung der Pfeile
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-) Elektronenstrahls
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 K)O, 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 Ausführungsbeispiel 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 Ternperaturgradienten
in der y-Richtung oder ersten Richtung erhitzt wird, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 6 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 Ausführungsbeispiele, 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 beschrieben 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. 14I2 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-Oberflache die Temperaturverteilung bewirkt, die in Fig. 8 gezeigt ist.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21 ist die Katode 141
mit zwei Bereichen 178 eines Materials, z. B. Ba2O mit Zä-
sium, 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 AusfUhrungsbeispiele der Figuren 12 bis 15 mit irgendwelchen der Ausführungsbeispiele 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 106 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 SiOp, 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 Abküh-
lungsmuster 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 Polysi]iziums 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 Abkühlungsmuster 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. 9 beschrieben wurde, steuert.
Fig. 29 bis Fig. 31 zeigen im einzelnen einen derartigen Wafer-Aufbau.
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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 202' 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
SiOp, 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 Schmelzpunkthinaus 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 SiOp aufgebracht. Wenn die Zone
106 aus Polysilizium durch den gleichförmigen Elektronenstrahl geschmolzen wird, wirkt der Bereich 216' mit redu-
zierter 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
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.
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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 SiOp , 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-°C, ρ = Dichte in g/cm
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 müßte.
2.0 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 für 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 voh 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. 38 kann dann von dem Elektronenstrahl B überlaufen werden, wie
dies in Fig. 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 ge-.
schmolzenen 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 Einsatz derselben Techniken zum Bilden 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 SiOp 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 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 Kri-
stallkeim 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 unterschiedlichen
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 aufweist.
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 Erfindung folgendes festzustellen:
Es wird ein Einkristallkeim S in einer Zone 106 einer polykristallinen
oder amorphen Schicht 104 auf einem Substrat 102 durch Aufprallenlassen eines streifenförmigen Elektronenstrahls
B auf die Zone 106, um die Zone 106 zu schmelzen und dann diese geschmolzene Zone von deren einem zu deren
anderem Ende in einer ersten Richtung y (vergl. Figuren 1, 3, 6 u. 7) und nach außen in Richtung auf die Ränder der
Zone 106 in einer zweiten Richtung χ (vergl. Figuren 1,4, 7
u. 8), die senkrecht zu der ersten Richtung liegt, erstarren zu lassen, erzeugt. Die Wiedererstarrung in den gewünschten
Richtungen (wie in Fig. 5 gezeigt) wird durch Erzeugen von Temperaturgradienten in der ersten Richtung y, wie in Figur
6 oder 7 gezeigt, und in der zweiten Richtung x, wie in Figur 8 oder 9 gezeigt, erreicht. Um diese Temperaturgradienten
zu erzielen, ist die Zone 106 derart (vergl. Figuren 22 bis 33) aufgebaut, daß sie, wenn sie erhitzt worden ist,
nichtgleichförmig abkühlt. Eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist zu diesem Zwecke derart (vergl. Figuren
10 bis 31) aufgebaut, daß sie die Zone 106 ungleichförmig erhitzt.
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.
3?
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ORIGINAL INSPECTED
Claims (57)
1. Verfahren zum Bilden eines Einkristalls in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat,
dadurch gekennzeichnet , daß zunächst bewirkt wird, daß die Zone (106) schmilzt, und daß dann
bewirkt wird, daß die geschmolzene Zone (106) von einem ihrer Enden in einer ersten Richtung (y) und nach außen in
Richtung auf die Ränder der Zone (106) in einer zweiten Richtung (x), die im wesentlichen senkrecht zu der ersten
Richtung (y) liegt, erstarrt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen die gesamte Zone (106)
anfänglich mit einem in der ersten Richtung (y) ansteigenden Temperaturgradienten (Fig. 6) erhitzt wird und dann zumindest
derart abgekühlt wird, daß der ansteigende Temperatur-
ORIGINAL INSPECTED
gradient in der ersten Richtung beibehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) bei einer im wesent-
liehen gleichförmigen Rate in der ersten Richtung (Fig. 6) abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt zum Schmelzen der Zone
(106) durch Aufprallenlassen eines Elektronenstrahls (B),
der eine in der ersten Richtung (y) ansteigende Stromdichte aufweist, auf die Schicht durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -
zeichnet , daß der Elektronenstrahl (B) durch eine streifenförmige, thermionische Katode (141) erzeugt wird und
daß das Verfahren desweiteren einen Schritt zum Orientieren des Substrats (102) unter einem Winkel relativ zu der Katode
derart enthält, daß der Abstand zwischen diesen in der ersten Richtung variiert.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Zone (106)
anfänglich mit einem Temperaturgradienten in der zweiten Richtung (x) derart erhitzt wird, daß an den Rändern der
Zone eine Temperatur erzeugt wird, die höher als die Temperatur zwischen den Rändern ist (Fig. 8), und dann zumindest
derart abgekühlt wird, daß in der zweiten Richtung (x) ein Temperaturgradient erhalten bleibt, um an den Rändern der
Zone eine Temperatur zu erzeugen, die höher als die Temperatur zwischen den Rändern ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) bei einer im wesentli-
chen gleichförmigen Rate (Fig. 8) in der zweiten Richtung (x) abgekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt zum Schmelzen der Zone
(106) durch Aufprallenlassen eines Elektronenstrahls (B), der eine von dessen Rändern zu dessen Zentrum in der zweiten
Richtung (x) ansteigende Stromdichte aufweist, auf die Schicht durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) bei einer in der ersten
Richtung (y) nichtgleichförmigen Rate (Fig. 7) abgekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone derart erhitzt wird, daß sich
in der ersten Richtung (y) ein ansteigender Temperaturgradient ergibt, und daß sie dann derart abgekühlt wird (Fig.
6), daß zumindest der Temperaturgradient in der ersten Richtung (y) beibehalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen die gesamte Zone (106)
anfänglich erhitzt und dann bei einer in der ersten Richtung (y) ungleichförmigen Rate (Fig. 7) abgekühlt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) in der ersten Richtung
(y) anfänglich auf eine gleichförmige Temperatur (Fig. 7) erhitzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt zum Schmelzen der Zone
(106) durch Aufprallenlassen eines Elektronenstrahls (B), der eine im wesentlichen gleichförmige Stromdichte aufweist,
auf die Schicht durchgeführt wird und daß das Abkühlen bei einer nichtgleichförmigen Rate (Fig. 7) durch Abstrahlen von
Wärme von einem Ende der Zone bei einer höheren Rate als von
dem Rest der Zone bewirkt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß desweiteren ein Schritt zum Erzeugen
einer Wärmesenke (206; Fig. 24) nahe dem einen Ende der Zone (106) vorgesehen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Abkühlungsrate in der ersten
Richtung (y) von einem Ende der Zone (106) zu deren anderen Ende im wesentlichen gleichförmig (Fig. 7) abnimmt.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt zum Schmelzen der Zone
(106) durch Aufprallenlassen eines Elektronenstrahls (B), der eine im wesentlichen gleichförmige Stromdichte aufweist,
auf die Schicht und durch Abschirmen eines Teils der Zone (106) vor dem Elektronenstrahl (B), um den Rest der Zone auf
eine höhere Temperatur als den Teil (Fig. 26 - 28) zu erhitzen, durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Teil der Zone (106) an deren einem
Ende (Fig. 26 - 28) liegt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß desweiteren ein Schritt zum Abstrahlen von Wärme von dem einen Ende der Zone (106) bei einer höheren
Rate als der von dem Rest der Zone (Fig. 26, Fig. 28) vorgesehen ist.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen die gesamte Zone (106)
anfänglich erhitzt und dann in der zweiten Richtung (x) bei einer niedrigeren Rate an den Rändern der Zone als in deren
zentralen Bereich (Fig. 9) abgekühlt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) anfänglich auf eine in
der zweiten Richtung (x) im wesentlichen gleichförmige Temperatur (Fig. 9) erhitzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch g e k e η η 5zeichnet
, daß desweiteren ein Schritt zum Erzeugen einer Wärmesenke (216; 216'; Fig. 29 - Fig. 31) zwischen den
Rändern der Zone (106) in der zweiten Richtung (x) vorgesehen ist.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Abkühlungsrate in der zweiten
Richtung (x) von dem zentralen Bereich der Zone (106) aus zu deren Rändern hin im wesentlichen gleichförmig (Fig. 9)
abnimmt.
23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) bei einer in der ersten
Richtung (y) nichtgleichförmigen Rate (Fig. 7) abgekühlt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone (106) derart erhitzt wird,
daß sich ein in der ersten Richtung (y) ansteigender Temperaturgradient (Fig. 6) ergibt, und dann derart abgekühlt
wird, daß zumindest ein in der ersten Richtung ansteigender Temperaturgradient erhalten bleibt.
25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß desweiteren ein Schritt zum Bewegen
des Substrats (102) und eines Elektronenstrahls (B) relativ zueinander vorgesehen ist, um die Schicht (104; 302) in der
ersten Richtung (y) mit dem Elektronenstrahl zu überlaufen und um das Schmelzen der Zone durch Aufprallenlassen des
Elektronenstrahls auf die Schicht (10?; 302) zu bewirken.
26. Verfahren nach Anspruch Pb, dadurch p. e k e η π zeichnet,
daß der Elektronenstrahl (B) im Quer-
schnitt rechteckförmig (Fig. 11, Fig. 34, Fig. 39, Fig. 40) ist.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch g e k e η η 5zeichnet
, daß der Elektronenstrahl (B) die Schicht (104; 302) in einer Richtung senkrecht zu der längeren Seite
des Querschnitts überläuft.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch g e k e η η -
zeichnet , daß die Stromdichte längs der langen Seite des Elektronenstrahls (B) an den Rändern der Zone (106) in
der zweiten Richtung (x) eine Temperatur erzeugt, die höher als die Temperatur in deren Mitte (Fig. 41 u. Fig. 42) ist.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Zonen (106) mit
einem Abstand in der zweiten Richtung (x) voneinander angeordnet vorgesehen sind (Fig. 40).
30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß desweiteren ein Schritt zum Erzeugen
von Perioden, in denen der Elektronenstrahl (B) eingeschaltet ist, und Perioden, die sich mit den zuerst genannten
Perioden abwechseln und in denen der Elektronenstrahl (B) ausgeschaltet ist, wenn dieser die Schicht (104; 302) überläuft,
vorgesehen ist, um eine Vielzahl von Zonen (106; Fig. 40) zu erzeugen, die in der ersten Richtung (y) einen Abstand
voneinander aufweisen.
31. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektronenstrahl (B) die Schicht
(104; 302) in einer Richtung senkrecht zu der längeren Seite des Querschnitts (Fig. 11, Fig. 34, Fig, 39, Fig. 40) überläuft.
32. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektronenstrahl (B) stationär
gehalten und das Substrat (102) bewegt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Schmelzen der Zone (106) bis zu
einer Tiefe, die geringer als die Dicke der polykristallinen oder amorphen Schicht (104; 302) ist, bewirkt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Erstarrungsschritt das Erzeugen
eines Temperaturgradienten in einer Grenzzone zwischen der geschmolzenen Zone und dem erstarrten Einkristall, welcher
Temperaturgradient einen vorbestimmten minimalen Wert in bezug auf die lineare Abkühlungsgeschwindigkeit der Grenzzone
in der ersten Richtung (y) und der zweiten Richtung (x) hat, beinhaltet.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet , daß die polykristalline oder amorphe
Schicht (104; 302) aus Polysilizium besteht und daß der Temperaturgradient in °C/cm ungefähr das 5000-fache der linearen
Abkühlungsgeschwindigkeit der Grenzzone in cm/s beträgt.
36. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -
zeichnet , daß der Schritt zum Schmelzen der Zone (106) durch gleichzeitiges Aufprallenlassen eines Elektronenstrahls
(B), der in seinem Querschnitt rechteckförmig ist, auf die gesamte Fläche der Zone über einen Zeitabschnitt
zwischen 10 und 100 Mikrosekunden durchgeführt wird, und daß die erste Richtung (y) und die längere Seite des
Querschnitts parallel zueinander liegen.
37. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (102) aus einem Material
hergestellt ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Quarz, Saphir, kristallines Silizium, Germanium und
Galliumarsenid umfaßt.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (102) eine thermische Zone
(200; 200') trägt, die aus einer ersten Schicht (202; 202')
eines wärmeleitenden Materials auf dem Substrat und einer zweiten Schicht (203; 203') eines wärmeisolierenden Materials
auf der ersten Schicht besteht und auf sich die polykristalline oder amorphe Schicht (104; 302) aufweist, und
daß die Dicke zumindest der zweiten Schicht (203; 203') in verschiedenen Teilen der Zone (106) unterschiedlich ist, um
den Wärmefluß in die erste Schicht (202; 202') aus der Zone (106) zu regulieren, wenn letztere geschmolzen wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeleitende Material Polysili-
zium ist und daß das wärmeisolierende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Siliziumdioxid und Siliziumnitrid
umfaßt.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß die polykristalline oder amorphe Schicht (104; 302) zwischen 0.5 und 1.0 Mikron dick ist und
durch ihre Gesamtdicke hindurch geschmolzen wird.
41. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch g e k e η η -
zeichnet , daß das Substrat (102) aus einem Einkristall-Halbleitermaterial
hergestellt ist, das in sich eine Halbleiteranordungszone aufweist, und daß eine elektrisch
isolierende Schicht (203; 203') zwischen der Schicht (104; 302) und dem Substrat (102) angeordnet ist.
42. Einrichtung zum Bilden eines Einkristalls in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat,
dadurch gekennzeichnet , daß eine thermionische Katode (Fig. 10 - Fig. 21) zum Erzeugen eines
Elektronenstrahls (B) zum Schmelzen der Zone (106) in zueinander senkrecht liegenden ersten und zweiten Richtungen
(y, x) und ein Steuermittel (C) zum Steuern der Energie, die
in die Zone (106) durch den Elektronenstrahl (B) eingebracht wird, um einen Temperaturgradienten (Fig. 6, Fig. 7; Fig. 8,
Fig. 9) in der Zone in zumindest einer der ersten und zweiten Richtungen (y, x) zu erzeugen, vorgesehen sind.
5
43. Einrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet , daß die Katode eine streifenförmige Katode
(141) ist, die eine längere Abmessung, die sich in der ersten Richtung (y) erstreckt, hat, daß Heizelemente (Fig.
... Fig. 15, Fig. 19 u. Fig. 20) zum Heizen der Katode vorgesehen sind, damit diese Elektronen abgibt, und daß das
Steuermittel (C) einen Temperaturgradienten in der ersten Richtung (y) in der Zone (106) erzeugt.
44. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizelemente aus einer Vielzahl
von Widerstandsheizelementen (160A, 160B, 160C, 160D, 160E,
160F), die längs der Katode (141) in Abständen in der ersten Richtung (y) voneinander angeordnet sind, bestehen und daß
das Steuermittel (C) die Heizelemente mit entsprechenden Strömen versorgt, die bezüglich der ersten Richtung zunehmend
höhere Werte haben.
45. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch g e k e η η zeich
net , daß die Katode desweiteren ein Paar von Sauggitterelementen (144A, 144B), die in der zweiten Richtung
(x) einen Abstand voneinander aufweisen und zum Zwecke einer Anordnung zwischen der Katode und dem Substrat (102)
vorgesehen sind, aufweist, und daß das Steuermittel (C) einen in der ersten Richtung (y) ansteigenden Potentialgradienten
zwischen den Sauggitterelementen erzeugt.
46. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet daß die Katode desweiteren ein Paar von
Sauggitterelementen (144A, 144B), die in der zweiten Richtung (x) einen Abstand voneinander aufweisen und zum Zwecke
einer Anordnung zwischen der Katode (141) und dem Substrat
(102) vorgesehen sind, aufweist, und daß das Steuermittel (C) Positionierungsmittel (162A, 162B) zum Variieren des
Abstandes in der zweiten Richtung (x) zwischen den Sauggitterelementen enthält.
5
5
47. Einrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet , daß die Positionierungsmittel aus zwei
Elektromotoren (162A, 162B) bestehen, wovon jeder jeweils eines der Sauggitterelemente (144A, 144B) positioniert.
48. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuermittel (C) ein Antriebsmittel
(166) zum Variieren des Abstandes längs der ersten Richtung (y) zwischen dem Substrat und der Katode enthält.
49. Einrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet , daß das Antriebsmittel ein Elektromotor
(166) zum Positionieren des Substrats ist.
50. Einrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet , daß die Katode aus zumindest einem streifenförmigen
Katodenelement (141) besteht, das eine längere Abmessung in der ersten Richtung (y) aufweist, und daß das
Steuermittel (C) den Elektronenstrahl (B) mit einer Stromdichte, die sich in der zweiten Richtung (x) aus dem Zentrum
des Elektronenstrahls (B) heraus in Richtung auf dessen Ränder zu erhöht, auf das Substrat (102) aufprallen läßt.
51. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß das streifenförmige Katodenelement (141) relativ zu dem Substrat auf einem ersten Potential
gehalten wird, daß das Steuermittel (C) einen elektrisch leitenden Streifen (168) enthält, der sich längs der Katode
in der ersten Richtung (y) erstreckt und im wesentlichen in der zweiten Richtung (x) relativ zu dem Katodenelement (141)
zentriert angeordnet ist, und daß der Streifen (168) relativ zu dem Substrat auf einem zweiten Potential, das unter-
schiedlich von dem ersten Potential ist, gehalten wird.
52. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet , daß die Katode aus einem Paar von streifenförmigen
Katodenelementen (14I1, 14I2) besteht und daß
das Steuermittel (C) Mittel zum Halten der Elektronen abstrahlenden Katodenelemente unter einem Winkel (A) relativ
zueinander enthält.
53. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet , daß die Katode (1411) eine gekrümmte
Elektronenabstrahloberfläche (170) hat, die das Steuermittel darstellt, und daß die Oberfläche in der Richtung auf das
Substrat (102) betrachtet in ihrem Querschnitt in der Ebene der zweiten Richtung (x) konkav gekrümmt ist.
54. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuermittel (C) ein Paar von
Heizelementen (172, 174) enthält, die in die Katodenelemente eingebettet sind und sich in der ersten Richtung (y) erstrecken
und in der zweiten Richtung (x) einen Abstand voneinander aufweisen.
55. Einrichtung nach Anspruch 54, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß die Katode ein Paar von streifenförmigen Katodenelementen (141A, 141B) enthält, die sich in der
ersten Richtung (y) erstrecken und in der zweiten Richtung (x) einen Abstand voneinander aufweisen, daß ein Isolierelement
(176) zwischen diesen angeordnet ist und daß jedem der Katodenelemente (141A, 141B) jeweils eines der Heizelemente
(172, 174) zugeordnet ist.
56. Einrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuermittel (C) aus einer Be-
schichtung (178) auf der Elektronen abstrahlenden Oberfläche der Katode (141) besteht, daß die Beschichtung ein größeres
Elektronenemissionsvermögen als die Katode hat, daß die
Beschichtung in zwei Bereichen auf der Katode angeordnet ist und daß sich die beiden Bereiche in der ersten Richtung (y)
erstrecken und in der zweiten Richtung (x) einen Abstand voneinander aufweisen.
5
5
57. Einrichtung nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet , daß die Beschichtung (178) aus BaO „ mit
Zäsium besteht.
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