DE3502757C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallkeimen für Einkristall-Halbleiteranordnungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallkeimen für Einkristall-Halbleiteranordnungen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen insbesondere auf große Einkristall-Halbleiteranordnung, und Verfahren sowie Vorrichtungen 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 Materials 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.
Ein einschlägiges Verfahren mit Schmelzen und Rekristallisation ist in der US-A 4388154 beschrieben. Diesem Verfahren gemäß wird polykristallines Halbleitermaterial mittels Laserstrahlung oberflächlich zunächst aufgeschmolzen und bei Wiederabkühlenlassen soll einkristallines Wachstum des Materials erfolgen.
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 Rekristallisation vorgeschlagen worden.
Aus der US-A 4382186 ist bekannt, wie man Elektronenstrahlen zu einer feinen Linie konvergieren lassen kann. Als Anwendungsfälle für derart zu einer feinen Linie konvergierte Elektronenstrahlung sind u. a. das Elektronenstrahlschweißen, das Elektronenstrahlätzen und das Tempern von Materialien genannt.
Solche herkömmlichen Energiequellen sind indessen unzureichend. Beispielsweise ergeben Punktstrahl-Energiequellen eine rekristallisierte Schicht, der es an einer gleichför­ migen einkristallinen Struktur mangelt. Herkömmliche Punkt­ strahl-Energiequellen, wie beispielsweise Graphit-Streifen­ heizelemente oder Lichtbogen-Streifenstrahler, können das darunterliegende Substrat beschädigen, da ein relativ lang­ zeitiger 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 polykristal­ line Schicht trifft, erzeugt eine relativ kleine kreisför­ mige 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 Ein­ kristallschicht benutzt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Einkristalls zur Verwendung zum Herstellen einer Einkristall-Halbleiteranordnung zu schaf­ fen, das ein gegenüber dem Stand der Technik zufriedenstellendes Ergebnis liefert. Es besteht die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, ein Verfahren zum Bilden eines Einkristallkeims in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat zu schaffen. Des weiteren soll dazu eine Vorrichtung zum Bilden eines solchen Einkristallkeims in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat angegeben werden.
Diese Aufgabe wird eines Verfahrens gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und eine dazu vorteilhafte Vorrichtung geben die Unteransprüche an.
Die Erfindung sieht Schmelzen einer Zone der Schicht und nachfolgendes Abkühlen der geschmolzenen Zone derart vor, 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.
Die Vorrichtung zum Bilden dieses Einkristalls in einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat sieht eine streifenförmig ausgebildete thermionische Katode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls zum Schmelzen einer Zone der Schicht vor, wobei sich die Kathode in den senkrecht zueinanderlie­ genden ersten und zweiten Richtungen erstreckt, und wobei sich die längere Abmessung in einer ersten Richtung (y) erstreckt und sie umfaßt eine Steuereinrichtung zum Steuern der Energie, die in die Zone durch den Elektronenstrahl eingebracht wird, um zumindest einen Temperaturgradienten in einer der ersten und zweiten Richtungen zu erzielen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und der 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 ge­ schmolzen 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 ge­ schmolzen worden ist.
Fig. 5 zeigt die Ausbreitungsrichtungen der Wiederer­ starrung 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.
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 und Fig. 11 zeigen eine Einrichtung zum Erzeugen eines stufenähnlichen 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 und Fig. 33 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Wafer-Aufbauten, die in Fig. 22 bis Fig. 31 gezeigt sind.
Fig. 34 . . . Fig. 38 zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Einkristall-Halbleiterschicht, das den Kri­ stallkeim verwendet, der auf dem Wafer ausgebildet ist, welcher in Fig. 30 gezeigt ist.
Fig. 39 zeigt einen Wafer-Aufbau zum Herstellen einer Ein­ kristall-Halbleiterschicht.
Fig. 40 zeigt eine Draufsicht eines Wafers gleich demjeni­ gen, 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 Ausführungsbeispiele, welche in Fig. 41 und Fig. 42 gezeigt sind, erzeugt wird.
Fig. 44 zeigt eine Draufsicht eines anderen Wafer-Aufbaus zum Herstellen einer Vielzahl von Einkristallkeimen.
Fig. 1 und 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 un­ gefähr 0.5 bis 1.0 Mikron Dicke auf sich trägt. Unter "po­ lykristallin" 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 erfindungsge­ mäßen Merkmale nicht auf diese Art von Material beschränkt. Vielmehr können auch andere Materialien, die für die Ver­ wendung 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 Aufdamp­ fungs-Ablagerungsverfahren "CVD", aufgebracht. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 102 sogar aus ir­ gendeinem anderen geeigneten Material bestehen, das eine glatte Oberfläche aufweist - ein Merkmal, das einen Vorteil der vorliegenden Erfindung ausmacht, wie dies aus der Be­ schreibung ersichtlich wird. Beispiele für Materialien, die als Ausgangsstoff für das Substrat 102 geeignet sind, sind Glas, Quarz, Saphir und kristalline Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanimum oder Galliumarsenid. Der Ausgangs­ stoff kann auch ein Kristall-Halbleitermaterial mit Halb­ leiter-Anordnungszonen, die darin ausgebildet sind, sein. Die Verwendung eines derartigen Ausgangsstoffes ist insbe­ sondere vorteilhaft, da die vorliegende Erfindung ermög­ licht, auf dieser Basis eine dreidimensionale Anordnung aufzubauen. In jedem Fall ist das Material, hier die Poly­ siliziumschicht 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 ge­ schmolzenen Zone unter bestimmten geregelten Bedingungen gebildet. Diese Bedingungen können durch Erstellen eines Koordinatensystems mit "x"- und "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 Temperaturgradi­ enten, die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt sind, zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt während des Abkühlens einzustellen. Der Ausdruck "Tmelt" 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 mini­ malen Wert haben, der von der Erstarrungsgeschwindigkeit in dieser Richtung und dem Material abhängt. Beispielsweise sollte für Polysilizium der Temperaturgradient in °C/cm zumindest das 5000fache der Erstarrungsgeschwindigkeit in cm/s haben.
Fig. 5 zeigt, wie diese Temperaturgradienten einen Einkri­ stall aus der geschmolzenen Zone 106 bilden. Wenn sich die Zone 106 abkühlt, erstarrt das geschmolzene Silizium in Richtungen, die durch die Pfeile 108, 110 und 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 und 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 er­ zeugt werden kann. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen die Erzeugung einer Temperaturverteilung in der ersten Richtung (d. h. in der y-Richtung, die auch in Fig. 1 erkennbar 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 Längs­ ausdehnung (in der y-Richtung) ab, und in dem Maße, wie sich jeder Ort in der Zone 106 unter den Schmelzpunkt von Sili­ zium abkühlt, erstarrt diese. Zu einem Zeitpunkt t₁ erstarrt beispielsweise die Zone 106 bei y₁, bei einem Zeitpunkt t₂ 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. 7 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Tempe­ raturverteilung in dem Maße eingestellt, wie sich die Zone 106 abkühlt. Die Erstarrungsrichtung wird durch das nicht­ gleichförmige Abkühlungsmuster festgelegt, wie es graphisch in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Orte y₁, y₂, y₃ usw. zu den Zeitpunkten t₁, t₂ bzw. t₃ usw. erstarren, und zwar in ähnlicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 gezeigt ist.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen, wie eine geeignete Temperaturver­ teilung über die Zone 106 in der zweiten Richtung (d. h. längs der x-Achse) erzielt wird. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann die Zone 106 anfänglich derart erhitzt werden, daß ein Tem­ peraturgradient, der als Tinitial gekennzeichnet ist, ein­ zustellen ist. Dann erstarren in dem Maße, wie sich die Zone 106 abkühlt, die Orte x₁, x₂ und x₃ zu Zeitpunkten t₁, t₂ bzw. t₃. Demzufolge liegt die Richtung der Erstarrung, wie dies graphisch in Fig. 8 gezeigt ist, in der Richtung der Pfeile 110 und 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 und 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 Vorrichtung 140, die in den Fig. 10 und 11 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist, erzeugt werden. Die Vorrichtung 140 erzeugt einen streifenförmigen Elektronenstrahl B, der Elektronen mit kinetischen Energien bzw. Massedichten oder Energiedichten einwirken lassen kann, die Ausmaße haben, welche eine Ober­ flächenzone eines Werkstückes, hier des Wafers 100, schnell genug schmelzen können, um eine Wärmeableitung zu dem Sub­ strat, das unter der Oberflächenzone liegt, zu verhindern.
Die Vorrichtung 140 besteht aus einer streifenförmigen ther­ mionischen Kathode 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 Sub­ strat 100 und der Katode 141 wird eine bestimmte Potential­ differenz 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 Mi­ krosekunden 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 be­ schrieben worden ist.
Fig. 12 bis Fig. 15 zeigen Ausführungsbeispiele, durch die die Zone 106 anfänglich mit dem geeigneten Temperaturgradi­ enten 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 Kathode 141 ungleichförmig längs ihrer Längsausdehnung durch eine Vielzahl von Widerstandsheizele­ menten 160A, 160B, 160C, 160D, 160E und 160F erhitzt. Wenn der Strom, der jedem Heizelement zugeführt wird, geringfügig stärker als derjenige ist, der dem jeweils unmittelbar vor­ hergehenden Heizelement zugeführt wird, variiert die Strom­ dichte des Strahls B längs der y-Achse, und die Zone 106 wird ungleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt.
Gemäß Fig. 13 wird die Kathode 141 gleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt, jedoch werden Sauggitterelemente 144A und 144B jeweils auf ein Potential mit einem Potential­ gradienten in der ersten Richtung gelegt. Auf diese Weise hat der Elektronenstrahl B an einem Ende eine höhere Strom­ dichte und erhitzt die Zone 106 mit dem Temperaturgradien­ ten, der in Fig. 6 gezeigt ist.
Gemäß Fig. 14 wird die Kathode 141 gleichförmig längs ihrer Längsausdehnung erhitzt, und die Sauggitterelemente 114A und 144B weisen längs ihrer Längsausdehnung ein gleichförmiges Potential auf. Indessen werden Motoren 162A und 162B benutzt, um den Abstand zwischen den Elementen 144A und 144B durch Drehen der Elemente um Achsen 164A bzw. 164B zu variieren. Wiederum besteht die Wirkung darin, einen anfänglichen Tem­ peraturgradienten gleich dem in Fig. 6 in der Zone 106 zu erzeugen.
Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem die Kathode C gleichförmig erhitzt wird. Ein Motor 166 wird be­ nutzt, um die winkelmäßige Orientierung des Wafers 100 re­ lativ zu der Kathode 141 zu ändern, um so den Temperaturgra­ dienten zu erzeugen, der in Fig. 6 gezeigt ist.
Fig. 16 bis Fig. 21 zeigen Ausführungsbeispiele, durch die die Zone 106 anfänglich mit einer lateralen Temperaturver­ teilung 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 Ka­ thode 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 Kathode 141 in der zweiten Richtung angeordnet. Das Potential des Elementes 168 relativ zu dem Wafer 100 ist geringer als Das Potential der Kathode 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 Kathodenelemente 141₁ und 141₂ vorgesehen sind. Durch Bilden eines Winkels A zwischen den Kathodenelementen kann die Stromdichte des Elektronenstrahls B gesteuert werden, um den Temperaturgra­ dienten zu erzeugen, der in Fig. 8 gezeigt ist.
Fig. 18 zeigt eine modifizierte Kathode 141. Diese Kathode 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 Kathode 141, die von innen her durch zwei Heizdrähte 172 und 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 Ausfüh­ rungsbeispiels, das in Fig. 19 gezeigt ist. Die Kathode 141 in diesem Ausführungsbeispiel besteht aus zwei Kathodenele­ menten 141A und 141B, die in sich eingebettet je einen von zwei Heizdrähten 172 und 174 aufweisen. Die Kathodenelemente 141A und 141B sind durch ein Isolierelement 176 voneinander getrennt. Wenn die Heizdrähte 172 und 174 durch einen Strom­ fluß durch diese erhitzt werden, erzeugen die Kathodenele­ mente 141A, 141B einen Elektronenstrahl B, dessen Strom­ dichte an der Wafer-Oberfläche die Temperaturverteilung bewirkt, die in Fig. 8 gezeigt ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21 ist die Kathode 141 mit zwei Bereichen 178 eines Materials, z. B. Ba₂O mit Zä­ sium, das ein höheres Elektronenemissionsvermögen als das Material der Kathode 141 hat, bedeckt. Wenn die Kathode 141 erhitzt wird, emittieren die Bereiche 178 mehr Elektronen und erzeugen die Temperaturverteilung, die in Fig. 8 gezeigt ist.
Selbstverständlich können, um die beiden Temperaturgradien­ ten, die in Fig. 6 und Fig. 8 gezeigt sind, zu erreichen, irgendwelche der Ausführungsbeispiele der Fig. 12 bis 15 mit irgendwelchen der Ausführungsbeispiele in Fig. 16 bis Fig. 21 kombiniert werden. Beispielsweise könnte die Kathode, 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 Tempera­ tur 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 Fig. 7 und 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 SiO₂, 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 an­ fänglich durch und durch erhitzt, nämlich auf eine gleich­ mäßige 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. Des weiteren 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 Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht 203 geringfügig verändert, wie dies in Fig. 25 dar­ gestellt 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 Polysi­ lizium einem gleichförmigen Elektronenstrahl ausgesetzt wird, schmilzt sie und erstarrt dann wieder, wie dies in Fig. 5 und Fig. 7 gezeigt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, 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 Abkühlungsmuster, 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 und 203 vorgesehen, die im wesentlichen wie in Fig. 24 gezeigt angeordnet und beschaf­ fen sind. Eine Maske 212 wird oberhalb der Wärmesenke ange­ ordnet, die durch den Abschnitt 206, der in seiner Stärke reduziert ist, gebildet ist, um zu verhindern, daß das äu­ ßere Ende der Zone 106 dem Elektronenstrahl B ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird eine relativ kühlere Zone er­ reicht, welche den Wärmefluß verstärkt und das Abkühlungs­ muster erzeugt, das in Fig. 7 gezeigt ist.
Fig. 28 zeigt eine geringfügige Modifikation des Ausfüh­ rungsbeispiels, 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 Abküh­ lungsmuster 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.
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 Fig. 24 bis 26 beschrieben, besteht diese Schicht 202′ typischerweise aus Polysilizium. Nach deren Ablagerung wird diese Schicht ge­ ätzt, um einen schmalen Steg 214 zu bilden, der in y-Rich­ tung 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, bei­ spielsweise SiO₂, ausgebildet und dann geätzt, um den Quer­ schnitt, der in Fig. 29 gezeigt ist, 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 auf­ weist, zu erzeugen. Die Schicht aus Polysilizium, die den Kristallkeim bilden wird, wird in der Zone 106 abgelagert. Das Substrat 102 wird dann einem gleichförmigen Elektronen­ strahl 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 Po­ lysilizium einzustellen.
In Fig. 30 ist ein geringfügig verändertes Ausführungsbei­ spiel 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 Elektronen­ strahl geschmolzen wird, wirkt der Bereich 216′ mit redu­ zierter Stärke in dem Zentrum der Zone 106 als eine Wärme­ senke 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 be­ schrieben sind. Indessen wird die Schicht aus isolierendem Material geätzt, um eine zweite Schicht 203′′ mit dem Quer­ schnitt, der in Fig. 31 gezeigt ist, zu erzeugen. Auf diese Weise wird, wenn die Zone 106 einem gleichförmigen Elektro­ nenstrahl ausgesetzt und anfänglich wie in Fig. 9 gezeigt erhitzt wird, diese abgekühlt, und sie erstarrt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Fig. 32 und 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 we­ sentlichen 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 be­ sonderen Eigenschaften derart, daß ein Parameter kρC (wobei k = thermische Leitfähigkeit in W/cm-°C, ρ = Dichte in g/cm³ und C = in J/g-°C) relativ niedrig ist, beispielsweise un­ terhalb 1.0, was dem Wert von kρC für Silizium entspricht, hergestellt ist. Ein typisches Beispiel für ein derartiges Material ist Titan, das einen Wert von kρC = 0.2 aufweist. Qualitativ kann der Parameter kρC als ein Maß dafür be­ trachtet werden, wie schnell ein Material erhitzt wird, wenn diesem Energie zugeführt wird, wobei Materialien, die sich schneller erhitzen, kleinere Werte für kρC 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 zurückgehal­ ten. Auf diese Weise wird das Abkühlungsmuster, das in Fig. 5 gezeigt ist, weiter ausgeprägt.
Auf diese Weise kann ein Einkristall auf einem verhältnis­ mäßig kostengünstigen Substratmaterial ausgebildet werden. Der Fachmann erkennt, daß die Ausführungsbeispiele, sofern sie offenbart wurden, in beliebiger Kombination benutzt werden können, um das Erstarrungsmuster, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, zu erreichen. Beispielsweise könnte ein Elek­ tronenstrahl, 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 Ab­ kühlungsmuster 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.
Der Einkristall, der auf diese Weise ausgebildet wird, ist insbesondere dazu bestimmt, als ein Kristallkeim zum Her­ stellen 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 Elek­ tronenstrahl 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-Halblei­ teranordnung gemäß der Offenbarung der zuvor genannten Pa­ tentanmeldung 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 Kristall­ keim benutzt werden kann, um eine große Einkristall-Halb­ leiteranordnung 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 Sub­ strats vor dem Erzeugen des Kristallkeims aufgebracht, eine Einzelheit, die aus der Beschreibung aus Gründen der Klar­ heit fortgelassen worden ist. Dieser Vorgang spart Fer­ tigungskosten und Fertigungszeit, die erforderlich 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 Ab­ schnitt 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 Po­ lysilizium 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 Rekristalli­ sation 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.
Es muß die Richtung der Erstarrung des geschmolzenen Polysili­ ziums gezielt gesteuert werden, wenn eine Hochqualitäts- Einkristallschicht erzeugt werden soll. Insbesondere sollte sich die Erstarrung für die gesamte Zone, in der der Ein­ kristall 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 der­ selben 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 ver­ stärkt werden.
Wie in Fig. 39 gezeigt, kann der Wafer 100, der in Fig. 38 dargestellt ist, mit einem "Zaun" 204 aus SiO₂ 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 Kristall­ keims 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 Fig. 32 und 33 gezeigt ist, verwendet werden, um die gewünschte Richtung des Wärmeflusses in der geschmolzenen Polysiliziumzone vor­ zugeben.
Der Fachmann erkennt außerdem, daß es wünschenswert sein kann, an mehr als einem Ort in dem Pfad des Elektronen­ strahls B, während dieser die Wafer-Oberfläche überläuft, Kristallkeime zu erzeugen. Es ist leicht ersichtlich, daß es möglich ist, soviel Kristallkeime über die Wafer-Oberfläche verteilt, wie als erforderlich angesehen wird, zu erzeugen und diese mit den richtigen Abständen voneinander auszubil­ den. Beispielsweise kann der Querschnitt, der in den Fig. 29 bis 31 gezeigt ist, sooft wie erwünscht auf der Oberflä­ che des Substrats wiederholt erzeugt werden, um eine Viel­ zahl von Kristallkeimorten auf dem Wafer, der in den Fig. 34 bis 38 gezeigt ist, zu bestimmen.
Auf diese Weise kann eine große Einkristall-Halbleiteran­ ordnung auf einem relativ kostengünstigen Substratmaterial hergestellt werden, da das Substrat nicht die Quelle für den Kristallkeim ist, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Außerdem ist es, weil die Tiefe der geschmolzenen Zone prä­ zise durch Verwendung des Elektronenstrahls, der hierin beschrieben ist, bestimmt werden kann, möglich, einen Kri­ stallkeim in nur dem oberen Abschnitt der Polysilizium­ schicht auf dem Substrat zu erzeugen und des weiteren außer­ dem einen Einkristall in nur dem oberen Abschnitt der Poly­ siliziumschicht 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 bei­ spielsweise angenommen, daß der Wafer 100 mit einer Vielzahl von Zonen 106, die einen Querschnitt aufweisen, der entweder in der Fig. 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 erforder­ liche Ausprägung der Erstarrung in der der ersten Richtung wird durch das Überlaufenlassen des Elektronenstrahls er­ reicht. Die Temperaturverteilung in der zweiten Richtung über die Zone 106 wird erreicht, wie dies im Zu­ sammenhang mit den Fig. 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 und Fig. 42 gezeigt ist, wird die Elektronenstrahl-Inten­ sität längs der Längsausdehnung bzw. der Breitenausdehnung der Katode variiert. Der Wafer 100 mit einer einzigen gleichförmigen Schicht aus Polysilizium, wie dies bei­ spielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, wird von einem Elektro­ nenstrahl 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 unterschied­ lichen Konfigurationen von Zäunen, Wärmesenken und Masken, die zuvor beschrieben wurden, gebildet werden. Selbstver­ ständlich kann das Temperaturprofil, das in Fig. 41 gezeigt ist, viele Male über die Breite der Kathode wiederholt wer­ den, 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, er zeugt werden.
Der Fachmann, erkennt aus den Fig. 10 bis 21, wie die Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls zum Erzie­ len des Temperaturmusters, das in Fig. 41 und Fig. 42 gezeigt ist, aufzubauen ist. Beispielsweise kann der Elektronen­ strahl, wie er in Fig. 42 dargestellt ist, durch irgendeine der Konfigurationen erzeugt werden, die zuvor beschrieben und in den Fig. 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 ge­ wünschte 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 Elektronen­ strahl den Wafer mit seiner Längsausdehnung parallel zu den Kristallkeimen, die in der Zone 106 ausgebildet werden sol­ len. Die Ausbildung der Kristallkeime kann durch Nichtein­ schalten 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 Rich­ tung unterstützt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fach­ mann ersichtlich. Es kann eine große Einkristall-Halbleiter­ anordnung oder eine Vielzahl solcher Anordnungen, die ins­ gesamt 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 Einkri­ stall-Halbleiteranordnungen wesentlich durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erhöht werden.
Zusammenfassend ist für die Erfindung folgendes festzustel­ len:
Es wird ein Einkristallkeim S in einer Zone 106 einer poly­ kristallinen oder amorphen Schicht 104 auf einem Substrat 102 durch Aufprallenlassen eines streifenförmigen Elektro­ nenstrahls 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. Fig. 1, 3, 6 und 7) und nach außen in Richtung auf die Ränder der Zone 106 in einer zweiten Richtung x (vergl. Fig. 1, 4, 7 und 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 Fig. 6 oder 7 gezeigt, und in der zweiten Richtung x, wie in Fig. 8 oder 9 gezeigt, erreicht. Um diese Temperaturgradi­ enten zu erzielen, ist die Zone 106 derart (vergl. Fig. 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. Fig. 10 bis 31) aufgebaut, daß sie die Zone 106 ungleichför­ mig erhitzt.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand mehrerer spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben. Für den Fachmann ist je­ doch ersichtlich, daß zahlreiche Modifikationen ausgeführt werden können, ohne daß dazu der allgemeine Erfindungsge­ danke oder der Schutzumfang verlassen werden müßte.

Claims (11)

1. Verfahren zum Bilden eines Einkristallkeims in einer Zone einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat,
wobei diese Zone der polykristallinen oder amorphen Schicht auf dem Substrat zunächst mittels eines Elektronenstrahls geschmolzen wird, wobei dies ein streifenförmiger Strahl (B) ist, und
wobei man im zweiten Verfahrensschritt die geschmolzene Zone (106) von dem einen Ende in einer ersten Richtung (y) und
nach außen zu den Rändern der Zone (106) in einer zweiten Richtung (x) erstarren läßt,
wobei die zweite Richtung (x) rechtwinklig zur ersten Richtung (y) gewählt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen dieser Zone (106) im ersten Verfahrensschritt mit einem Elektronenstrahl erfolgt, der eine in der ersten Richtung (y) ansteigende Intensität aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst die Zone (106) erhitzt wird, wobei ein Temperaturgradient in der zweiten Richtung (x) derart eingestellt wird, daß an den Rändern dieser Zone eine höhere Temperatur herrscht als zwischen diesen Rändern (Fig. 8), und
daß dann die Zone (106) derart abgekühlt wird, daß in der zweiten Richtung (x) ein Temperaturgradient solchermaßen aufrechterhalten wird, daß an den Rändern dieser Zone eine Temperatur herrscht, die höher ist als die Temperatur zwischen diesen Rändern.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen der Zone (106) im ersten Verfahrensschritt mit einem Elektronenstrahl (B) erfolgt, der eine von den Rändern zu dem Zentrum in der zweiten Richtung (x) abnehmende Intensität aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anfänglich die Zone (106) mit einem Elektronenstrahl erhitzt wird, der eine gleichmäßige Intensität aufweist, und dann mit einer in der ersten Richtung (y) ungleichförmigen Rate (Fig. 7) die Abkühlung erfolgt, indem die Abstrahlung von Hitze von einem Ende dieser Zone mit einer höheren Rate als vom Rest dieser Zone (Fig. 24 bis 28) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (106) zunächst erhitzt wird und dann diese Zone (106) an ihren Rändern in der zweiten Richtung (x) mit niedrigerer Rate als im zentralen Bereich derselben abgekühlt wird (Fig. 9).
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstellen der Intensität des Elektronenstrahls entlang der langen Seite des Elektronenstrahls (B) an den Rändern der Zone (106) in der zweiten Richtung (x) eine Temperatur bewirkt wird, die höher als die Temperatur im dazu mittleren Bereich der Zone ist (Fig. 41 und 42).
8. Vorrichtung zum Bilden eines Einkristallkeims in einer Zone (106) einer polykristallinen oder amorphen Schicht auf einem Substrat,
mit einer thermionischen Kathode, die streifenförmig ausgebildet ist, wobei sich die längere Abmessung in einer ersten Richtung (y) erstreckt und die zur Erzeugung eines auf die Schicht auffallenden Elektronenstrahls dient, mit dem die Zone (106) in einer ersten Richtung (y) und in einer dazu rechtwinkligen zweiten Richtung (x) aufschmelzbar ist, und
mit Steuermitteln (C) zum Steuern der Intensität des Elektronenstrahls (B) in wenigstens der einen Richtung der ersten (y) und zweiten (x) Richtungen, so daß ein Temperaturgradient (Fig. 6, 7; Fig. 8, 9) in der Zone (106) in wenigstens einer der ersten (y) und der zweiten (x) Richtungen erzeugbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Elektronenstrahls (B) in der zweiten Richtung (x) von der Mitte des Strahls (B) zu dessen Rändern ansteigt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode aus einem Paar streifenförmiger Kathodenteile (141₁, 141₂) besteht und
daß die Steuermittel (C) des weiteren Mittel zum Halten der elektronenabstrahlenden Oberflächen dieser Kathodenteile in einem Winkel (A) relativ zueinander aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Steuermittel (C) eine Beschichtung (178) auf der elektronenabstrahlenden Oberfläche dieses Kathodenteils (141) umfassen,
wobei diese Beschichtung ein größeres Elektronenemissionsvermögen als das Kathodenteil hat und
wobei diese Beschichtung in zwei Bereichen auf dem Kathodenteil angeordnet ist und sich diese zwei Bereiche in der ersten Richtung (y) erstrecken und in der zweiten Richtung (x) einen Abstand voneinander haben.
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