DE69515162T2

DE69515162T2 - Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Material und Verbundmaterial für dieses Verfahren

Info

Publication number: DE69515162T2
Application number: DE69515162T
Authority: DE
Inventors: Tadataka Morishita; Furen Wang
Original assignee: International Superconductivity Technology Center
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; New Energy and Industrial Technology Development Organization
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2015-12-02
Also published as: US5837053A; EP0716166B1; DE69515162D1; JP3244391B2; EP0716166A1; JPH08165188A

Description

Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Material und Verbundmaterial für dieses Verfahren

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Materials, das als Substrat zur Bildung einer darauf befindlichen supraleitenden Schicht, einer ferromagnetischen Schicht oder einer ferroelektrischen Schicht verwendet werden kann. Ferner betrifft die Erfindung die Bildung eines Verbundstoffs, der für die Herstellung eines solchen einkristallinen Materials verwendet werden kann.
Ein einkristallines Substrat weist im allgemeinen Oberflächendefekte wie Kratzer und Flecke auf, die durch chemische oder physikalische Prozesse bei der Herstellung wie beim Polieren oder während der Lagerung entstehen. Somit ist eine Wiederherstellung des ordnungsgemäßen Zustands der Oberflächen vor der Verwendung des Substrats wünschenswert.
In der Halbleitertechnik findet eine Methode Anwendung, bei der ein einzelnes Siliziumkristall in einer Dampfphase auf der Oberfläche eines einkristallinen Siliziumsubstrats epitaktisch wachsen kann, so daß sich auf dieser Oberfläche eine neue reine einkristalline Siliziumschicht bildet. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für die Bildung eines einzelnen Metalloxidkristalls wie SrTiO&sub3; geeignet, da die Regelung des Molverhältnisses des Kristalls in einer Sauerstoffumgebung äußerst schwierig ist.
In einer Abhandlung von Lau et al in Applied Physics Letters, Band 35 (1979), Nr. 4, Seite 327-329, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine amorphe Siliziumschicht mit einer Mindestdicke von 1000 Å (100 nm) auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat gebildet und der dabei entstehende Verbundstoff zwecks Auslösung des epitaktischen Wachstums erwärmt wird.
Die US-Patentschrift Nr. A-4840816 beschreibt unter anderem ein Verfahren, bei dem ein einzelnes Kristall aus Lithiumniobat durch Implantation mit Metallionen gedopt wurde. Unter den dabei vorherrschenden Bedingungen wurde der oberflächennahe Bereich des Lithiumniobats beschädigt und nahm bis auf eine Tiefe von etwa 0,5 mm einen im wesentlichen amorphen Charakter an. Im Anschluß wurde das beschädigte implantierte Kristall in einer mit Wasser gesättigten Sauerstoffumgebung aufgeschmolzen, was zu einer epitaktischen Rekristallisation des beschädigten Bereichs führte.
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren für die Herstellung eines einkristallinen Materials mit sauberer Oberfläche sowie eines Verbundmaterials für die Herstellung des einkristallinen Stoffs.
Ein Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Materials, das die folgenden Schritte umfaßt:
Bildung einer Schicht aus einem amorphen Stoff über der Oberfläche eines einkristallinen Substrats, wobei die Schicht eine maximale Dicke von 100 Å (10 nm) aufweist und die chemische Zusammensetzung des amorphen Stoffs der des Substrats entspricht, wodurch ein Verbundmaterial entsteht; und
Erwärmung des Verbundmaterials zwecks Förderung des epitaktischen Wachstums der amorphen Schicht zu einer einkristallinen Schicht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundmaterial, das aus einem einkristallinen Substrat und einer Schicht eines amorphen Stoffs, dessen chemische Zusammensetzung der des Substrats entspricht, besteht, wobei die genannte Schicht eine maximale Dicke von 100 Å, aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Verbundstoffs entsprechend der Erfindung;
Fig. 2 zeigt Rutherfordsche Rückstreuspektren eines nach Beispiel 2 erzeugten einkristallinen SrTiO&sub3;-Stoffs;
Fig. 3 stellt die Beziehung zwischen der Anzahl der Atome in einer Reihe, gesehen in Kanalisierungsrichtung, und der Aufschmelztemperatur der nach Beispiel 2 hergestellten einkristallinen SrTiO&sub3; Stoffe dar;
Fig. 4 stellt die Beziehung zwischen der Anzahl der Atome in einer Reihe, gesehen in Kanalisierungsrichtung, und der Aufschmelztemperatur der nach Beispiel 3 hergestellten einkristallinen SrTiO&sub3;-Stoffe dar; und
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung, die einen Fall darstellt, bei dem das epitaktische Wachstum ausblieb.
In Fig. 1 stellt die Ziffer 30 ein nach der Erfindung hergestelltes Verbundmaterial dar, das aus einem einkristallinen Substrat 10 und einer Schicht 20 eines amorphen Stoffs besteht, der die gleiche chemische Zusammensetzung wie das Substrat 10 aufweist.
Das Substrat 10 ist vorzugsweise ein einzelnes Kristall mit Perowskitstruktur. Dieses perowskitische einzelne Kristall kann ein Oxid mit der Formel ABO&sub3; sein, wobei A ein Element ist, das zur Gruppe der Erdalkalimetalle und Lanthanoide gehört, und B ein Element der Gruppen IVB und IIA des Periodensystems. Zu den geeigneten Elementen für A gehören Sr, La und Nd, und für B Ti, Ga und AI.
Das Verbundmaterial 30 kann dadurch entstehen, daß mit Hilfe eines geeigneten bekannten Verfahrens wie beispielsweise der Laserablation oder Bedampfung die amorphe Schicht 20 auf der Oberfläche des Substrats 10 aufgetragen wird.
Die amorphe Schicht 20 des Verbundmaterials 30 kann durch Wärmebehandlung (Rufschmelzen) in eine regelmäßig ausgerichtete einkristalline Schicht umgewandelt und rekristallisiert werden. Wichtig ist, daß die Schicht 20 eine maximale Dicke d von 100 Å (10 nm) aufweist, so daß die gesamte Schicht 20 epitaktisch zu einer einkristallinen Schicht wachsen kann.
Wenn die amorphe Schicht 20 eine zu große Dicke aufweist, ist ein epitaktisches Wachstum der gesamten Schicht 20 zu einer einkristallinen Schicht nicht mehr möglich. Das Ausbleiben des epitaktischen Wachstums ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Dabei ist das einkristalline Substrat mit der Ziffer 11 gekennzeichnet und die amorphe Schicht, die die gleiche Zusammensetzung wie das Substrat 11 aufweist, mit der Ziffer 12. Wird die amorphe Schicht 12 auf dem Substrat 11 einer Wärmebehandlung ausgesetzt, wachsen die einzelnen Kristalle 13 epitaktisch von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 11 und der amorphen Schicht 12 zur gegenüberliegenden Oberfläche der amorphen Schicht 12. Im dargestellten Fall ist die Dicke d' der amorphen Schicht 12 jedoch zu groß, so daß die Kristallkeimbildung in den neben der Oberfläche der amorphen Schicht gelegenen Bereichen erfolgt und regellos ausgerichtete einzelne Kristalle 14 entstehen. Dadurch entsteht auf dem Substrat 11 sowohl eine einkristalline Schicht mit regelmäßiger Orientierung als auch eine mit regelloser Orientierung.
Die Wärmebehandlung des Verbundmaterials 30 erfolgt vorzugsweise in einer Sauerstoffumgebung bei einer Temperatur von bis zu 1100ºC, zumeist bei 500- 1100ºC. Möglich ist auch das Rufschmelzen bei einer maximalen Temperatur von vorzugsweise 900 ºC, zumeist 800-900ºC, und einem maximalen Druck von 2 · 10&supmin;&sup6; Torr (2,66 · 10&supmin;&sup4; Pa).
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1

Ein kommerziell erhältliches einkristallines SrTiO&sub3;-Substrat (100) wurde bei Raumtemperatur einer Laserablation ausgesetzt, um auf dem Substrat ein Verbundsubstrat (I) mit einer amorphen Schicht einer Dicke von 48 Å (48 nm) herzustellen. Bei der Herstellung der Verbundsubstrate (II) und (III), die amorphe Schichten einer Dicke von 80 Å (8 nm) bzw. 276 Å (27,6 nm) aufweisen, wurde ähnlich verfahren.

Beispiel 2

Alle nach Beispiel 1 erzeugten Verbundsubstrate (I)-(III) wurden 30 Minuten lang in einer Sauerstoffatmosphäre von 1 atm (1 · 10&sup5; Pa) bei einer Temperatur von 500 ºC, 700ºC, 900ºC und 1100ºC erwärmt, um einkristalline Materialien herzustellen. Das durch Erwärmung des Verbundsubstrats (II) bei einer Temperatur von 1100ºC erzielte einkristalline Material wurde durch Messung der Ionenkanalisierung unter Verwendung eines Ionenstrahls von 950 Kev He&spplus; hinsichtlich seiner Kristallinität bewertet. In Fig. 2 sind das regellos und das [100]-ausgerichtete Rutherfordsche Rückstreuspektrum (RBS) dargestellt, wobei auf der Abszisse die Kanalnummer und auf der Ordinate die Rückstreuleistung, die der Anzahl der rückgestreuten Ionen entspricht, abgebildet ist. Das Spektrum (a) zeigt das regellose RBS für das einkristalline Material, das durch Rufschmelzen des Verbundsubstrats (II) erzeugt wurde, das Spektrum (b) das [100]-ausgerichtete RBS für das Verbundsubstrat (II) und das Spektrum (c) das [100]-ausgerichtete RBS für das einkristalline Material, das beim Rufschmelzen des Verbundsubstrats (II) entstand. In Fig. 2 ist ferner ein vergrößerter Ausschnitt des Spektrums (c) in Form einer durchgängigen Linie dargestellt. Das als gestrichelte Linie dargestellte Spektrum (d) zeigt das [100]-ausgerichtete RBS für das in Beispiel 1 verwendete einkristalline SrTiO&sub3;-Substrat.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Rückstreuleistung des Spektrums (c) kleiner ist als die des Spektrums (d). Daraus läßt sich ableiten, daß die Kristallinität des auf dem kommerziell erhältlichen einkristallinen Substrat epitaktisch gewachsenen einkristallinen Films besser ist als die des Substrats.
In Fig. 3 ist die Aufschmelztemperatur in Abhängigkeit von der Anzahl der Atome pro Reihe in Kanalisierungsrichtung (SPA), gemessen mit Hilfe der Ionenkanalisierung unter Verwendung eines Ionenstrahls von 950 KeV He&spplus;, dargestellt. Dabei stellen die Kurven (e), (f) und (g) die einkristallinen Stoffe, die beim Rufschmelzen der Verbundsubstrate (I), (II) bzw. (III) erzielt wurden, und die Kurve (h) das in Beispiel 1 verwendete kommerziell erhältliche einkristalline SrTiO&sub3;- Substrat dar.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist die Atomzahl bei einer Aufschmelztemperatur von mindestens 900ºC bei den Kurven (e) und (f) ähnlich der der Kurve (h) oder liegt, noch darüber. Daraus ist zu schließen, daß die Kristallinität des einkristallinen Films mit einer Dicke von 48 Å (4,8 nm) oder 80 Å (8 nm), der epitaktisch auf dem kommerziell erhältlichen einkristallinen Substrat gewachsen ist, mit der des Substrats vergleichbar oder besser ist.

Beispiel 3

Das in Beispiel 1 entstandene Verbundsubstrat (I) wurde 30 Minuten lang bei verschiedenen Temperaturen bis zu 850ºC und einem Druck von 4 · 10&supmin;&sup7; bis 1 · 10&supmin; &sup6; Torr (5,3 · 10&supmin;&sup5; bis 1,3 · 10&supmin;&sup4; Pa) erhitzt, um einkristalline Stoffe herzustellen.
In Fig. 4 ist die Aufschmelztemperatur in Abhängigkeit von der Anzahl der Atome pro Reihe in Kanalisierungsrichtung, gemessen mit Hilfe der Ionenkanalisierung unter Verwendung eines Ionenstrahls vors 950 KeV He&spplus;, dargestellt. Dabei stellt die Kurve (i) das einkristalline Material dar, das durch Rufschmelzen der Verbundsubstrate (I) hergestellt wurde, und die Kurve (j) das in Beispiel 1 verwendete kommerziell erhältliche einkristalline SrTiO&sub3;-Substrat.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Anzahl der Atome bei der Kurve (i) ähnlich der der Kurve (j) ist, wenn die Aufschmelztemperatur etwa bei 850ºC liegt. Daraus ist zu schließen, daß die Kristallinität des einkristallinen Films mit einer Dicke von 48 Å (4,8 nm), der epitaktisch auf dem kommerziell erhältlichen einkristallinen Substrat gewachsen ist, mit der des Substrats vergleichbar oder besser ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Material, das die folgenden Schritte umfaßt:

Bildung einer Schicht aus einem amorphen Stoff über der Oberfläche eines einkristallinen Substrats, gekennzeichnet dadurch, daß die genannte Schicht eine maximale Dicke von 100 Å (10 nm) aufweist und die chemische Zusammensetzung des amorphen Stoffs der des Substrats entspricht, so daß ein Verbundmaterial entsteht; und

Erwärmung des Verbundmaterials zwecks Förderung des epitaktischen Wachstums der amorphen Schicht zu einer einkristallinen Schicht.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei dem Substrat um ein einzelnes Kristall mit Perowskitstruktur handelt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Erwärmung bei einer maximalen Temperatur von 1100ºC in einer Sauerstoffumgebung erfolgt.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Erwärmung bei einer maximalen Temperatur von 900ºC und einem maximalen Druck von 2 · 10&supmin;&sup6; Torr (2,66 · 10&supmin;&sup4; Pa) erfolgt.

5. Ein Verbundmaterial, das aus einem einkristallinen Substrat und einer Schicht eines amorphen Stoffs, dessen chemische Zusammensetzung der des Substrats entspricht, besteht, wobei die genannte Schicht eine maximale Dicke von 100 Å (10 nm) aufweist.

6. Ein Verbundmaterial nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei dem Substrat um ein einzelnes Kristall mit Perowskitstruktur handelt.