DE69734876T2 - Verfahren und vorrichtung zum züchten orientierter whiskermatritzen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Werkstoffwissenschaft im Zusammenhang mit Elektronen und auf die Mikroelektronik, einschließlich der Vakuummikroelektronik, besonders auf das Vorbereiten und Herstellen von Geräten, die auf die Feldelektronenemission gestützt sind, wie beispielsweise Matrixfeldemissionskatoden, Feldemissionsanzeigen, Mikrowellengeräte, verschiedene Elektronenschussgeräte usw..
  • Hintergrund der Erfindung
  • Feldemission wird üblicherweise aus scharfen Spitzen mit einem Krümmungsradius in dem Bereich von Mikrometern und Nanometern realisiert. Es gibt mehrere Verfahren für ihre Herstellung.
  • Eines von diesen besteht darin, orientierte, zueinander parallele Whisker auf einem Substrat aufwachsen zu lassen und dann scharfe Spitzen aus den Whiskern mit verschiedenen Behandlungen herzustellen.
  • Für dieses Ziel ist die chemische Gasphasenabscheidung von Kristallen, einschließlich des chemischen Transportes von Substanzen am meisten geeignet. Es ist ein Verfahren für die Kristallisierung von Werkstoffen in einem engen Bereich bekannt (F. N. Nicoll, J. Electrochem. Soc. 110 (1963), 1165). Allerdings ist dieses Verfahren nicht effektiv beim Züchten von orientierten Whiskermatrizen, weil es die Kernerzeugung und das Wachstum von Whiskern an bestimmten Punkten des Substrates nicht sicherstellt.
  • Es ist ein Verfahren zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen auf einem einkristallinen Substrat bekannt, die längs der dichtest gepackten kristallographischen Fläche eines gegebenen Materials mittels Gasphasenabscheidung durch Erhitzung mittels lösender (flüssigkeitsbildender) ordnungsgemäß auf dem Substrat ( US-PS 3 536 538 ) angeordneter Teilchen orientiert sind. Dieses Verfahren stützt sich auf den Gas- Flüssigkeit- Festkörper (VLS)- Wachstumsmechanismus, der von R. S. Wagner und W. C. Ellis, Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth, Appl. Phys. Lett. 4 (1964), 89–90, vorgeschlagen wurde. Allerdings leiden das Verfahren und die patentierte und beschriebene Vorrichtung bei ihrer Realisierung an dem Umstand, dass die gezüchteten Whisker oft Verzweigungen und Krümmungen und dergleichen bilden.
  • Im Umfange der erwähnten Verfahren für das Züchten von Whiskern ist ein Verfahren zur Erzeugung von lokalisierten (beispielsweise mikrometergroßen) lösenden Teilchen wichtig. Für das Aufwachsen von beispielsweise Siliziumwhiskern werden Metalle wie beispielsweise Gold, Kupfer, Nickel, und so weiter als Lösungsmittel verwendet.
  • Eine der Techniken zum Herstellen von lokalisierten Teilchen besteht im Verdampfen von Metallen durch eine Schablonenmaske. Allerdings ist eine solche Technik für die Lokalisierung von Teilchen auf großflächigen Substraten ungeeignet (beispielsweise ein Quadratzentimeter oder mehr), weil es in einem solchen Fall unmöglich ist, ein gleichförmiges Aufklemmen der Schablone auf dem Substrat sicherzustellen. Aus diesem Grunde sind die gebildeten Metallteilchen nicht sauber geschnitten, besitzen unterschiedliche Größen und so weiter.
  • Geeigneter hierfür ist ein photolithographisches Verfahren. Ein solches Verfahren, das auf das Züchten von Whiskern angewandt wird, wird von Y. Okajima, S. Asai, Y. Terni, R. Terasaki und H. Murata beschrieben in „Precise control of growth site of silicon vapor-liquid-solid crystals", J. Crystal Growth 141 (1994), 357–362. Dieses Verfahren gibt allerdings ein schlecht reproduzierbares Ergebnis, da die verwendeten Lösungsmittel (beispielsweise Gold) mit dem Fotoresistmaterial in einer vorgegebenen Stufe bei dem Verfahren in Kontakt geraten, was zu einem unkontrollierten, nicht orientierten Wachstum der Whisker führt.
  • Ein weiteres photolithographisches Verfahren zum Lokalisieren des Lösungsmittels wird in der EP 0 443 920 B1 beschrieben. Dort wird das Lösungsmittel (Gold) innerhalb einer auf dem Siliziumsubstrat ausgebildeten Oxidmaske abgeschieden. Allerdings leidet dieses Verfahren an dem Umstand, dass die flüssige Legierung (Silizium-Gold in diesem Fall) sich bei hohen Temperaturen längst der Substrat-Oxid-Kontaktfläche spreizt, das Oxid „explodiert", und dementsprechend wird ein geordnetes Whiskerwachstum zerstört.
  • Eine Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen ist bekannt, die aus einem Rohrreaktor mit einer Gasmischung besteht, die durch den Reaktor strömt und ein kristallisiertes Material eines achsensymmetrischen Substrathalters und einer Wärmequelle hervorbringt (D. W. F. James und C. Lewis, Silicon whisker Growth and epitaxy by vapour-liquid-solid mechanism, Brit. J. Appl. Phys. 16, 1089–1094 (1965). Die Vorrichtung besitzt allerdings eine figurförmige Heizeinrichtung mit Ausnehmungen zum Platzieren der Substrate. Eine derartige Heizeinrichtung ermöglicht es nicht, ein geordnetes, gleichförmiges, perfektes Wachstum von Whiskern auf großen Flächen zu erreichen, auf Grund von Schwankungen in den Gasströmen, einem nicht gleichförmigen Temperaturgradienten, usw..
  • Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstrukturen ( GB 15 33 645 A ) mit einer lokalen nicht gleichförmigen Zusammensetzung bekannt. Dieses Verfahren benötigt eine Hauptplatte und eine dazu parallele Hilfsplatte. Eine Temperaturdifferenz wird zwischen den Platten erzeugt, um einen Materialübergang von der einen Platte zu der anderen zu schaffen.
  • Die Aufgaben dieser Erfindung sind folgende:
    • (1) Ein Verfahren zum gesteuerten Züchten von Whiskern auf einem Substrat, das die Herstellung regelmäßiger Matrizen von sauber orientierten Whiskermatrizen auf einer großen Fläche erlaubt. Dieses Verfahren muss auch Techniken zum Abscheiden von Matrizen von lokalisierten Lösemittelteilchen auf dem Substrat einschließen.
    • (2) Eine Vorrichtung zum Realisieren des Verfahrens zum gesteuerten Züchten von Whiskermatrizen auf einem Substrat, das das Herstellen von derartigen Matrizen gleichmäßig auf großen Flächen ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erste angegebene Aufgabe wird in den vorgeschlagenen Verfahren durch die Merkmale realisiert, die in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben sind. Verbesserungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 3 bis 11 angegeben.
  • Im Grundsatz werden diese Aufgaben gelöst durch das Züchten von orientierten Whiskermatrizen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, auf einem einkristallinen Substrat, das längs der dichtest gepackten kristallographischen Ebene für ein gegebenes Material orientiert ist, mittels Gasphasenabscheidung durch Erhitzen, über lösliche Teilchen, die auf dem Substrat in geordneter Weise abgeschieden sind, wobei parallel zu dem Substrat eine im festen Zustand befindliche Materialquelle mit Material für das Züchten von Whiskern angeordnet ist, die eine ebene Oberfläche besitzt, die dem Substrat gegenüber liegt, wobei die im festen Zustand befindliche Materialquelle die gleiche Zusammensetzung wie die zu züchtenden Whiskern besitzt, sodass ein vektoriell einheitliches Temperaturfeld, dessen Gradient senkrecht zu dem Substrat und zu der Quelle steht, zwischen dem Substrat und der Quelle erzeugt wird. Die löslichen Teilchen werden auf dem Substrat durch entweder Verdampfung mittels einer Schablonenmaske oder mittels eines photolithographischen Vorgangs abgeschieden.
  • Die Temperatur der Materialquelle kann höher sein als die Temperatur des Substrates. In einem solchen Fall wird in dem Zwischenraum zwischen der Quelle und dem Substrat ein Vakuum erzeugt oder ein Edelgas eingeführt und das Material wird von der Quelle zu dem Substrat durch Verdampfung und Kondensation transportiert. In einem anderen Fall wird der Transport durch das Einführen einer Substanz in den Zwischenraum zwischen der Materialquelle und dem Substrat sichergestellt, mit einer Substanz, die mit dem Material chemisch reagiert.
  • Die Temperatur der Materialquelle kann niedriger sein, als die Temperatur des Substrats. In einem solchen Fall wird in den Zwischenraum zwischen der Quelle und dem Substrat eine Substanz eingeführt, die das Material von der Quelle zu dem Substrat mittels einer chemischen Reaktion transportiert.
  • Wenn die löslichen Teilchen mittels eines fotolithographischen Vorgangs abgeschieden werden, nachdem Öffnungen in der Schutzmaske erzeugt wurden, werden Ausnehmungen in dem Substrat gegenüber den Öffnungen gebildet. Der Durchmesser der Ausnehmungen übersteigt den Durchmesser der Öffnungen, ihre Tiefe ist nicht kleiner als 0,1 des Durchmessers der Öffnungen, das Lösungsmittel wird über das gesamte Substrat abgeschieden und anschließend aus allen Bereichen entfernt, ausgenommen von den Boden der Öffnungen.
  • Das in dem photolithographischen Vorgang abgeschiedene Lösungsmittel wird von der Oberfläche der Schutzmaske entweder mechanisch (durch Wischen) oder chemisch (durch Auflösung der Maske gemeinsam mit dem Lösungsmittel) entfernt.
  • Silizium kann als Materialquelle und als ein Substrat verwendet werden, wobei das letztere ein Siliziumwafer mit einer (111) – Orientierung sein sollte. Als Lösungsmittel kann beispielsweise Gold verwendet werden. Das Züchten der Whisker wird bei Temperaturen von mehr als 800°C durchgeführt. Als eine Substanz, die die Materialquelle transportiert, kann eine Mischung aus Wasserstoff und Siliziumtetrachlorid verwendet werden.
  • Die zweite Aufgabe dieser Erfindung wird durch eine in dem Anspruch 12 oder dem Anspruch 13 angegebene Vorrichtung gelöst. Verbesserungen sind in den abhängigen Ansprüchen 14 bis 25 angegeben. Eine solche Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, besteht aus einem Röhrenreaktor mit gasförmigen Mischungen, die durch den Reaktor strömen, wobei die Mischungen das Material für eine Kristallisation ergeben, mit einem Substrat, einem achsensymmetrischen Substrathalter und einer Heizquelle oder einer Gruppe von Heizquellen.
  • In einer Version des Röhrenreaktors wird gegenüber dem Substrat eine Materialquelle angeordnet, die die Wärme von der Heizquelle oder der Gruppe von Heizquellen aufnimmt, während das Substrat von der Materialquelle erhitzt wird.
  • In einer anderen Version der Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen wird in dem Röhrenreaktor gegenüber dem Substrat eine Materialquelle angeordnet, wobei das Substrat die Wärme von der Heizquelle oder der Gruppe von Heizquellen aufnimmt, während die Materialquelle von dem Substrat erhitzt wird.
  • Die Heizquelle kann als ein Hochfrequenzinduktor ausgeführt werden. Der Induktor kann eine zylindrische oder konische Form besitzen. Die Materialquelle wird auf einem Halter angeordnet, der als ein abgeschnittener Kegelstumpf mit einer Grundfläche senkrecht zu seiner Achse ausgeführt ist. Die größere Grundfläche des Kegels besitzt eine zylindrische Fortsetzung und die Materialquelle wird auf dieser Grundfläche angeordnet, während eine kleinere Grundfläche des konischen Halters der Materialquelle einen Vorsprung (Auswuchs) besitzt. Das Substrat gegenüber der Materialquelle wird auf einem Halter angeordnet, der als ein Wärmestrahler mit einer ebenen Oberfläche benachbart zu dem Substrat ausgeführt ist und Vorsprünge für die Wärmestrahlung auf der gegenüberliegenden Seite des Substrathalters längs der Kanten des Heizstrahlers besitzt.
  • In einer anderen Version einer ähnlichen Vorrichtung wird ein Substrathalter als ein abgeschnittener kreisförmiger Kegelstumpf mit einer Grundfläche senkrecht zu seiner Achse ausgeführt. Die größere Grundfläche des Kegels besitzt eine zylindrische Fortsetzung, und das Substrat wird auf dieser Grundfläche angeordnet, während eine kleinere Grundfläche des konischen Halters einen Vorsprung besitzt. Die Materialquelle gegenüber dem Substrat wird auf einem Halter angeordnet, der als ein Wärmestrahler mit einer ebenen Oberfläche benachbart zu der Materialquelle aufgebaut ist und der Vorsprünge für die Wärmestrahlung auf der dem Halter der Materialquelle gegenüberliegenden Seite längs der Kanten des Wärmestrahlers aufweist.
  • In der vorstehenden Vorrichtung ist der Kegel innerhalb des Induktors konzentrisch angeordnet, wobei ein Teil des Kegels außerhalb des Induktors liegt, mit der größeren Grundfläche außerhalb. Die Entfernung von der größeren Grundfläche zu der äußeren Ebene der letzten Windung des Induktors beträgt das 0,2-fache bis 0,8-fache des Außendurchmessers des Induktors.
  • Der Winkel des Kegels liegt zwischen 15° und 120°, während der Vorsprung des konischen Halters eine zylindrische Form mit einem Verhältnis von seinem Durchmesser und seiner Höhe zu der größeren Grundfläche des Kegels in dem Bereich von 0,1 bis 0,5 besitzt.
  • In einer anderen Version der Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whisker-Matrizen ist die Wärmequelle innerhalb eines achsensymmetrischen hohlen Halters der Materialquelle angeordnet, wobei der Halter eine prismatische oder pyramidenstumpfförmige äußere Oberfläche besitzt. Die Materialquelle nimmt Wärme von der Oberfläche des Prismas oder der Pyramide auf, während das Substrat Wärme von der Materialquelle aufnimmt, und ein Wärmenivellierer (Vergleichsmäßiger) mit seiner ebenen Oberfläche dem Substrat benachbart ist.
  • In einer weiteren Version der Vorrichtung wird eine Wärmequelle innerhalb eines achsensymmetrischen hohlen Halters des Substrates angeordnet, wobei der Halter eine prismatische oder pyramidenstumpfförmige äußere Oberfläche besitzt. Die Substrate nehmen Wärme von der Oberfläche des Prismas oder der Pyramide auf, während die Materialquelle Wärme von den Substraten aufnimmt, und ein Wärmenivellierer mit seiner ebenen Oberfläche benachbart zur Materialquelle ist.
  • In den beiden letztgenannten Versionen der Vorrichtung beträgt die Wanddicke der Halter das 0,05-fache bis 0,2-fache des äußeren Durchmessers 5 des Prismas oder des Pyramidenstumpfes.
  • In anderen Versionen der Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whisker-Matrizen besteht die Wärmequelle aus Lasern oder Beleuchtungseinrichtungen, oder aus Kombinationen davon, einschließlich von Kombinationen mit Hochfrequenzinduktoren.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 Eine orientierte Matrize von Siliziumwhiskern wächst entsprechend einem Dampf- Flüssigkeits- Festkörper-Mechanismus auf. Das Foto wurde mit einem scannenden Elektronenmikroskop aufgenommen.
  • 2 Eine Anordnung aus einem aufgeheizten Körper und einem Hochfrequenzinduktor in einer Version, in der eine Substanz aus einem stärker erwärmten zu einem weniger stark erwärmten Körper transportiert wird.
    • 1
    die Hochfrequenzinduktorspule (Heizquelle);
    2
    der erhitzte Körper (der Halter der Materialquelle);
    3
    die Materialquelle;
    4
    das Substrat;
    5
    der Strahler (der Halter des Substrates);
    6
    die Kräftelinien des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes;
    d1
    der Abstand von der größeren Grundfläche des Kegels zu der äußeren Ebene der letzten Spule des Induktors;
    d2
    der Durchmesser des Auswuchses (des Vorsprunges) an dem erhitzten Körper;
    h1
    die Höhe des Auswuchses auf dem erhitzten Körper;
    h2
    die Höhe der zylindrischen Fortsetzung des Kegels;
    α
    der Konuswinkel
  • 3 Eine Anordnung aus einem erhitzten Körper und einem Hochfrequenzinduktor in der Version, in der eine Substanz von einem weniger erhitzten zu einem stärker erhitzten Körper transportiert wird.
  • 4 Eine Anordnung eines inneren Zylinders oder eines konischen Induktors in einem hohlen prismatischen oder pyramidenförmigen erhitzten Körper in der Version, in der eine Substanz von einem stärker erhitzten zu einem weniger stark erhitzten Körper transportiert wird. Alle Bezugszeichen sind wie in 2, dabei ist 5 hier der Nivellierer der Temperatur.
  • 5 Eine Anordnung aus einem ähnlichen Heizsystem in der Version, in der eine Substanz von einem weniger stark erhitzten zu einem stärker erhitzten Körper transportiert wird. Alle Bezugszeichen sind wie in 3; dabei ist 5 hier der Nivellierer der Temperatur.
  • 6 Ein Schema von aufeinanderfolgenden Schritten beim Vorbereiten eines Substrates für das Wachstum von Whiskern und das Aufwachsen der Whisker.
  • Die beste Version der Realisierung der Erfindung
  • In der 1 wird eine orientierte Matrize von Siliziumwhiskern gezeigt, die auf einem (111) Siliziumsubstrat gemäß dem erfinderischen Verfahren bei einer Substrattemperatur von 950°C mittels einer Reaktion SiCl4 + Si = 2SiCl2 (1),gezüchtet wurde, wobei Silizium mit seinem eigenen Tetrachlorid zusammenwirkt.
  • Als ein flüssigkeitsbildendes Mittel (Lösungsmittel) wird hier Gold verwendet. Man kann Kügelchen auf den Spitzen der Whisker erkennen – die Kügelchen bestehen aus Mischungen aus Silizium und Goldkristalliten. Ein Vorteil von Gold bei diesem Vorgang besteht in dem Umstand, dass dieses Metall chemisch passiv ist und dementsprechend keine stabilen Verbindungen mit dem kristallisierten Material bildet. Ein weiterer Vorteil dieses Lösungsmittels besteht darin, dass bei typischen Kristallisationstemperaturen von Siliziumwhiskern mit der Beteiligung ihres Tetrachlorides die Löslichkeit des Materials in Gold relativ hoch ist, ungefähr 50%. Aufgrund dieses Umstandes ist der Bereich der akzeptablen Kristallisationsübersättigungen breit und aus diesem Grunde ist das Verfahren der ordentlichen, orientierten Kristallisierung schwach abhängig von den Variationen und Schwankungen der Prozessparameter. Auf dem Siliziumwafer/Substrat mit der kristallographischen Orientierung (111) wächst eine regelmäßige Matrize aus Goldpartikeln von solchen Größen auf, dass nach dem Kontaktschmelzen mit dem Siliziumsubstrat bei einer Temperatur von etwa 1.000°C Siliziumgold-Tropfen mit Größen von beispielsweise 2 bis 5 μm, die teilweise in dem Substrat gelöst sind, gebildet werden.
  • Der Kristallisationvorgang wird in einem Strom von gereinigtem Wasserstoff bei atmosphärem Druck durchgeführt. Nach dem Erhitzen, wenn ein thermisches Gleichgewicht in dem System erreicht wird, wird dem Wasserstoffstrom ein Dampf aus Siliziumtetrachlorid zugeführt, so dass die Konzentration von SiCl4H2-Mischungen mehrere Prozente beträgt. Bei stationären Bedingungen wird das Gleichgewicht der Reaktion (1) bei einer relativ hohen Temperatur der Materialquelle hergestellt. Dann werden die gebildeten Reagenzien mittels einer gasförmigen Gasfusion in den engen Raum zwischen der Quelle und dem Substrat zu dem Substrat transportiert, das eine geringere Temperatur besitzt. Hier wird ein neues Gleichgewicht der Reaktion (1) eingestellt und ein Überschuss an gebildetem Silizium ergibt sich auf der Oberfläche des Substrates, während ein anderes Produkt der Reaktion, SiCl4, zur Materialquelle zurückkehrt und der Vorgang von Neuem beginnt.
  • Es ist wichtig für das Verfahren des Züchtens von Whiskern, das aufgrund der extrem hohen Adsorptionsfähigkeit der flüssigen Phase in Bezug auf die chemischen Reagenzien die Reaktion mit der Erzeugung von Silizium vorzugsweise auf der Oberfläche der Tropfen vorausschreitet. Auf diese Weise werden die Si-Au-Tropfen hinsichtlich des Siliziums übersättigt, wobei der Überschuss an Material zum Boden der Tropfen diffundiert und epitaxial auf der Grenzschicht von Flüssigkeit zu Festkörper abgeschieden wird, d. h. in das Silizium eingebracht wird. Wenn das kristalline Material abgeschieden wird, werden die Tropfen aus dem Substrat ausgestoßen und ein säulenförmiger Kristall (Whisker) wird gebildet. Die Richtung der Whisker ist senkrecht zu der dichtest gepackten Fläche des Siliziums, d. h. er besitzt eine Orientierung in [111], der Durchmesser der Whisker wird durch die Größen der Tropfen festgelegt, während seine Höhe durch die Dauer des Wachstumsprozesses und durch die Wachstumsrate festgelegt wird.
  • Es ist wichtig, dass die Richtung des Whiskerwachstums mit der Richtung der Materialzufuhr übereinstimmt. Auf diese Weise wird eine Homogenität der Wachstumsbedingung für verschiedene Whisker auf einem großen Oberflächenbereich des Substrates sichergestellt.
  • In dem in Betracht gezogenen Fall besitzen die Materialquelle und das Substrat als Regel die Größe von Zentimetern, während der Abstand zwischen ihnen sich in dem Bereich von Zehntelmillimetern befindet. Dementsprechend sind die Grenzbedingungen ohne praktischen Einfluss auf den Kristallisierungsprozess. Der kleine Abstand zwischen der Materialquelle und dem Substrat stellt eine strikt senkrechte Entwicklung des Temperaturgradienten zur Quelle und zu dem Substrat sicher (in diesem Fall ist die Senkrechte hinsichtlich des Substrates, wo der Kristallisationsvorgang tatsächlich stattfindet, besonders wichtig).
  • Unter favorisierten – homogenen, stabilen – Wachstumsbedingungen werden alle aufgewachsenen Whisker identisch orientiert, das heißt sind zueinander parallel. Derartige Bedingungen können sichergestellt werden, wenn das Temperaturfeld vektoriell gleichförmig ist, d. h. wenn die Isothermen parallel zum Substrat oder, mit anderen Worten, wenn sie senkrecht zur Wachstumsrichtung der Whisker stehen. Dies wird sichergestellt durch das Verfahren und die Vorrichtung, die in diesem Patent betrachtet werden.
  • In dieser Erfindung werden Kristallisationsbedingungen sichergestellt, die am besten durch eine spezielle Anordnung (Konfiguration) der Vorrichtung geschaffen werden, wo ein optimales Temperaturfeld, das eine homogene Zufuhr von wachsenden Kristallen gibt, aufgrund einer einseitigen (einflächigen) Erwärmung der Materialquelle erzeugt wird (dann wird das Substrat von dieser erwärmt, beispielsweise durch Strahlung oder Wärmeleitung), oder aus dem Substrat (in diesem Fall wird die Materialquelle vom Substrat erwärmt).
  • Aufgrund einer derartigen Konfiguration ist es sehr wichtig, dass künstliche Änderungen der Wärmeleistung, die das Whiskerwachstum beeinflussen könnten, durch den Umstand nivelliert werden, dass die Temperaturen von sowohl der Materialquelle als auch von dem Substrat sich synchron ändern. Dieses stabilisiert automatisch die Kristallisationsbedingungen.
  • In der 1 wird eine orientierte Whiskermatrize gezeigt, die entsprechend dem Verfahren und mittels der in dieser Erfindung beschriebenen Vorrichtung gezüchtet wurde.
  • In der 2 ist die Vorrichtung zum Züchten der Whisker unter Einsatz einer Erwärmung mittels Hochfrequenzinduktion dargestellt. Diese Version der Erwärmung ist eine der am besten geeigneten für die betrachteten Kristallisationsverfahren. In einem derartigen Fall wird eine achsensymmetrische Induktionsspule (Induktor) 1 verwendet und ein erwärmter Körper 2 (der außerdem auch als Halter für eine Materialquelle 3 dient) wird ebenfalls als eine achsensymmetrische Kombination von (in erster Linie) konischen und zylindrischen Teilen ausgeführt. In einer derartigen Vorrichtung sind die Kraftlinien eines elektromagnetischen Feldes 6 ebenfalls achsensymmetrisch. Auf einem Substrat 4 wird ein Strahler 5 zum Nivellieren der Temperatur platziert.
  • Um eine gleichmäßige Erwärmung der Quelle 3 sicherzustellen (und von dieser – die Erwärmung des Substrates 4, einem längs der kristallographischen Ebene (111) orientierten Silizium-wafer), wird dieses Ensemble in einer speziellen Weise platziert: Es wird aus dem Induktor um eine Distanz d1 herauszustoßen. Bei einem solchen Fall wird ein Teil der Leistung der Wärmequelle verloren gehen; allerdings erhält man umgekehrt mit einem solchen Aufbau eine gleichmäßige Erwärmung der größeren Ebene des Körpers 2, auf welchem die Materialquelle platziert ist.
  • Als ein zusätzlicher Faktor zum Nivellieren (gleichförmig machen) der Temperatur auf der größeren Ebene wird ein Vorsprung mit dem Durchmesser d2 und der Höhe h1 auf dem erwärmten Körper ausgebildet. Auch ist der konische Winkel α optimiert (als Regel beträgt er ungefähr 60°). Bei dem Durchmesser der größeren (Grundflächen-)Ebene von beispielsweise 40 mm beträgt der Durchmesser d2 etwa 10 mm, die Höhe h1 etwa 20 mm und der Abstand d1 von der größeren Grundfläche des Kegels zur äußeren Fläche der letzten Windung des Induktors ungefähr 20 mm, die Quelle 3 wird gleichmäßig erwärmt, beispielsweise auf 1.050°C. Von dieser Quelle wird das Substrat 4 erwärmt, ebenfalls gleichmäßig, auf eine Temperatur von ungefähr 950°C. Diese Gleichmäßigkeit wird bei den vorstehend angegebenen Größen, Formen und der Anordnung der erwärmten Körper aufgrund der sogenannten "Hauteffekte" (skineffect) der Hochfrequenzerwärmung sichergestellt (diese Induktionsströme fließen vorzugsweise längs der Oberfläche – besonders der konischen in diesem Falle – des Körpers).
  • In der Version des chemischen Transports von Substanzen von einem stärker erwärmten zu einem weniger stark erwärmten Körper in einem Abstand von 0,3 bis 0,7 mm zwischen der unteren Ebene des Substrats 4 und der oberen Ebene der Materialquelle 3 bei einer Konzentration von SiCl4/H2 von ungefähr 3% während eines Zeitraumes von einer Stunde werden Siliziumwhisker mit einer Höhe von 50 bis 100 μm auf dem Siliziumsubstrat aufwachsen.
  • Als 5 wird hier ein Strahler bezeichnet (hergestellt aus beispielsweise Graphit), der zum Nivellieren der Substrattemperatur dient, und als 6 werden Kraftlinien des elektromagnetischen Feldes bezeichnet.
  • Die gleiche Version der Vorrichtung ist zum Züchten von Whiskern ohne die Verwendung von chemischen Reaktionen geeignet, nämlich mit einem physikalischen Transport von Substanzen mittels eines Verdampfungs/Kondensationsvorgangs. In diesem Falle werden ein Vakuum oder eine Atmosphäre eines Edelgases in der Kristallisationskammer erzeugt.
  • Eine andere Version der Vorrichtung für das Züchten von Whiskern mittels einer Induktionsheizung mit einer konischen Heizung ist in der 3 angegeben. Sie ist geeignet zur Verwendung in Vorgängen mit exothermen Reaktionen, bei denen eine Substanz von einem weniger erwärmten zu einem stärker erwärmten Körper transportiert wird. Als Beispiel seien Iodidreaktionen mit einer Disproportionierung mit der Abscheidung von Refraktärmetallen, wie beispielsweise Titan, Zirkonium, usw. oder der Transport von Wolfram in oxihalogenen Medien genannt. In diesem Falle wird ebenfalls eine achsensymmetrische Heizungsanordnung verwendet und der Temperaturgradient wird durch das Ausstoßen der Anordnung aus dem Induktor erzeugt.
  • Eine weitere Version der Vorrichtung, die ein vektoriell gleichmäßiges Temperaturfeld bei der Verwendung einer Induktionsheizung ergibt, ist in den 4 und 5 angegeben. Hier ist der Induktor in einer innen hohlen beispielsweise aus Graphit hergestellten Heizung eingeführt. Bei einer hinreichenden Dicke der Wände der Heizung kann die Temperatur der äußeren Flächen der Heizung (die auch als Halter der Materialquelle oder des Substrates dient), die eine prismatische Form oder eine Form einer abgeschnittenen Pyramide besitzt, hinreichend homogen sein. In dieser Version wird ebenfalls ein Strahler benachbart zur Materialquelle oder zum Substrat als ein Nivellierer der Temperatur dienen.
  • Eine weitere Version einer Vorrichtung zum Erzeugen eines vektoriell gleichförmigen Temperaturfeldes besteht in folgendem: Eine einseitige Erwärmung eines Körpers, der als ein Substrathalter dient, oder von einer Materialquelle, wird sichergestellt durch einen Laser, beispielsweise durch einen CO2-Laser. Ein derartiger Laser besitzt einen hohen Übertragungskoeffizienten an Energie.
  • Eine weitere Version einer Vorrichtung für eine gleichmäßige einseitige Erwärmung eines Substrates oder einer Materialquelle wird auf die Verwendung von Beleuchtungseinrichtungen gestützt.
  • Schließlich ist es für die Vorbereitung von gleichmäßigen orientierten Whiskermatrizen auf einem großflächigen Substrat wichtig, reproduzierbare Substrate mit Matrizen aus Lösungsmittelteilchen zu haben.
  • Eine der Versionen des Verfahren zur Vorbereitung derartiger Substrate ist in der 6 dargestellt.
  • Bei einem typischen Verfahren wird eine photolithographischer Vorgang zu diesem Zweck benutzt. Auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit der Orientierung (111) wird eine Schutzmaske beispielsweise aus Siliziumoxid mit einer Dicke von ungefähr 0,5 μm erzeugt (6a). Auf der Oberfläche des oxidierten Substrates wird ein Photoresistmaterial abgeschieden und in der Oxidschicht werden kreisförmige Öffnungen von Mikrometergröße, beispielsweise mit 5 bis 7 μm im Durchmesser, mittels der Photolithographie ausgebildet (6b, 6c). Mittels eines speziellen siliziumlösenden Ätzmittels, dass schwach als Oxid wirkt, gegen die Öffnungen in der Schutzmaske werden in einem Siliziumsubstrat Ausnehmungen mit einer Tiefe von 2 μm erzeugt. Bei dem Ätzvorgang werden die Ausnehmungen in dem Silizium symmetrisch in alle Richtungen etwa 2 μm ausgedehnt. Aufgrund dieses Umstandes verhindern während der Verdampfung eines metallischen Lösungsmittels Kanten der Schutzmaske eine Abscheidung des Metalls auf der Siliziumoxidgrenzschicht (vergl. 6d). Dementsprechend wird es später bei einem Kontaktschmelzen des Lösungsmittels und beim Züchten der Whisker möglich, einen Kontakt der entstehenden flüssigen Legierung mit der Schutzmaske (6e) zu vermeiden und auf diese Weise die Bildung von gleichmäßigen Whiskermatrizen (6f) sicherzustellen.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, auf einem einzelnen kristallinen Substrat, das längs der dichtest gepackten kristallographischen Ebene für ein gegebenes Material orientiert ist, mittels Gasphasenabscheidung des Materials durch Erhitzen, mittels lösender Teilchen, die auf dem Substrat in geordneter Weise abgeschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass a. parallel zu dem Substrat eine im festen Zustand befindliche Materialquelle angeordnet ist, b. die im festen Zustand befindliche Materialquelle aus dem Material für das Züchten von Whiskern besteht, c. die im festen Zustand befindliche Materialquelle eine ebene Oberfläche besitzt, die dem Substrat gegenüberliegt, d. das Erhitzen der Materialquelle mittels einer Heizquelle oder einer Gruppe von Heizquellen erfolgt, während das Substrat von der Materialquelle erhitzt wird, e. ein vektoriell einheitliches Temperaturfeld, dessen Gradient senkrecht zu dem Substrat und zu der Materialquelle steht, zwischen dem Substrat und der Materialquelle erzeugt wird, f. die lösenden Teilchen auf dem Substrat durch entweder Verdampfung mittels einer Schablonenmaske oder mittels eines photolithographischen Vorgangs abgeschieden werden.
  2. Verfahren zum Züchten von orientierten Whiskermatrizen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, auf einem einzelnen kristallinen Substrat, das längs der dichtest gepackten kristallographischen Ebene für ein gegebenes Material orientiert ist, mittels Gasphasenabscheidung des Materials durch Erhitzen, mittels lösender Teilchen, die auf dem Substrat in geordneter Weise abgeschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass a. parallel zu dem Substrat eine im festen Zustand befindliche Materialquelle angeordnet ist, b. die im festen Zustand befindliche Materialquelle aus dem Material für das Züchten von Whiskern besteht, c. die im festen Zustand befindliche Materialquelle eine ebene Oberfläche besitzt, die dem Substrat gegenüberliegt, d. das Erhitzen des Substrates mittels einer Heizquelle oder einer Gruppe von Heizquellen erfolgt, während die Materialquelle von dem Substrat erhitzt wird, e. ein vektoriell einheitliches Temperaturfeld, dessen Gradient senkrecht zu dem Substrat und zu der Materialquelle steht, zwischen dem Substrat und der Materialquelle erzeugt wird, f. die lösenden Teilchen auf dem Substrat durch entweder Verdampfung mittels einer Schablonenmaske oder mittels eines photolithographischen Vorgangs abgeschieden werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem in einem Zwischenraum zwischen der Materialquelle und dem Substrat ein Vakuum erzeugt oder ein Edelgas eingeführt wird, und in welchem das Material von der Materialquelle zu dem Substrat über Verdampfung und Kondensation transportiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem in einem Zwischenraum zwischen der Materialquelle und dem Substrat eine Substanz eingeführt wird, die das Material von der Materialquelle zu dem Substrat mittels einer chemischen Reaktion transportiert.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem bei dem Abscheiden der lösenden Teilchen mittels des photolithographischen Vorganges nach dem Erzeugen von Öffnungen in der Schutzmaske Ausnehmungen in dem Substrat gegenüber den Öffnungen erzeugt werden, wobei die Durchmesser der Ausnehmungen den Durchmesser der Öffnungen in den Masken übersteigen, wobei die Tiefe der Ausnehmungen mehr als das 0,1-fache des Durchmessers der Öffnungen betragen, wobei das Lösungsmittel über das gesamte Substrat abgeschieden wird und danach von allen Bereichen entfernt wird, ausgenommen von den Böden der Ausnehmungen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem das Lösungsmittel von der Oberfläche der Schutzmaske mechanisch entfernt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem das Lösungsmittel von der Oberfläche der Schutzmaske chemisch mittels Auflösung der Maske gemeinsam mit dem Lösungsmittel entfernt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem Silizium als Materialquelle und als Substrat verwendet wird, wobei ein Siliziumwafer mit (111)-Orientierung als Substrat verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, in welchem Gold als das Lösungsmittel verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, in welchem das Züchten der Whisker bei einer Temperatur von mehr als 800°C durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in welchem eine Mischung aus Wasserstoff und Siliziumtetrachlorid zum Transportieren von der Materialquelle verwendet wird.
  12. Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whiskermatritzen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, bestehend aus einem Röhrenreaktor mit gasförmigen Mischungen, die durch den Reaktor strömen, wobei die Mischungen das Material für eine Kristallisation ergeben, mit einem Substrat, einer Materialquelle, einem achsensymmetrischen Substrathalter und einer Heizquelle oder eine Gruppe von Heizquellen, wobei die Materialquelle in dem Röhrenreaktor gegenüber dem Substrat platziert wird, so dass die Materialquelle die Wärme von der Heizquelle aufnehmen kann, während das Substrat von der Materialquelle geheizt wird.
  13. Vorrichtung zum Züchten von orientierten Whiskermatritzen, vorzugsweise für Feldelektronenemitter, bestehend aus einem Röhrenreaktor mit gasförmigen Mischungen, die durch den Reaktor strömen, wobei die Mischungen das Material für eine Kristallisation ergeben, mit einem Substrat, einer Materialquelle, einem achsensymmetrischen Substrathalter und einer Heizquelle oder eine Gruppe von Heizquellen, wobei das Substrat in dem Röhrenreaktor gegenüber der Materialquelle platziert wird, so dass das Substrat die Wärme von der Heizquelle aufnehmen kann, während die Materialquelle von dem Substrat geheizt wird.
  14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 oder 13, in welcher die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen aus einem Hochfrequenzinduktor hergestellt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, in welcher die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen aus einem Hochfrequenzinduktor hergestellt ist und in welcher der Induktor eine zylindrische oder kegelförmige Form besitzt, ein Halter der Materialquelle in der Form eines kreisförmigen Kegelstumpfes mit seiner Basis senkrecht zur Achse des Kegels hergestellt ist, wobei die größere Basis des Kegels eine zylindrische Fortsetzung besitzt, und die Materialquelle auf der größeren Basis platziert ist, wobei die kleinere Basis einen Vorsprung besitzt, während der Halter des Substrats als ein Wärmestrahler mit ebener Oberfläche hergestellt ist, der dem Substrat benachbart ist, und wobei die wärmeausstrahlenden Vorsprünge auf der gegenüberliegenden Seite des Strahlers längs der Kanten platziert sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 13, in welcher die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen aus einem Hochfrequenzinduktor hergestellt ist und in welcher der Induktor eine zylindrische oder kegelförmige Form besitzt, ein Halter das Substrat in der Form eines kreisförmigen Kegelstumpfes mit seiner Basis senkrecht zur Achse des Kegels hergestellt ist, wobei die größere Basis des Kegels eine zylindrische Fortsetzung besitzt, und das Substrat auf der größeren Basis platziert ist, wobei die kleinere Basis einen Vorsprung besitzt, während der Halter der Materialquelle als ein Wärmestrahler mit ebener Oberfläche hergestellt ist, der der Materialquelle benachbart ist, und wobei die wärmeausstrahlenden Vorsprünge auf der gegenüberliegenden Seite des Strahlers längs der Kanten platziert sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, in welcher der Kegel konzentrisch innerhalb des Induktors angeordnet ist, wobei ein Teil des Kegels außerhalb des Induktors liegt, mit der größeren Basis außerhalb.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, in welcher der Abstand von der größeren Basis des Kegels zu der äußeren Ebene der letzten Spule des Induktors das 0,2-fache bis 0,8-fach des äußeren Durchmessers des Induktors beträgt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, in welcher der Kegel einen Winkel von 15° bis 120° besitzt, während der Vorsprung die Form eines Zylinders mit einem Verhältnis seines Durchmessers und seiner Höhe zu dem Durchmesser der größeren Basis des Kegels in dem Bereich von 0,1 bis 0,5 besitzt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 12, in welcher die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen innerhalb eines achsensymmetrischen hohlen Halters der Materialquelle angeordnet ist, der Halter eine prismatische oder pyramidenstumpfförmige äußere Oberfläche besitzt, die Materialquelle Hitze von der Oberfläche aufnimmt, während ein Wärmenivellierer mit seiner Ebene zu dem Substrat benachbart ist, das gegenüber der Materialquelle ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 12, in welcher die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen innerhalb eines achsensymmetrischen hohlen Halters des Substrates angeordnet ist, der Halter eine prismatische oder pyramidenstumpfförmige äußere Oberfläche besitzt, das Substrat Hitze von der Oberfläche aufnimmt, während ein Wärmenivellierer mit seiner Ebene benachbart zu der Materialquelle ist, die gegenüber dem Substrat liegt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, in welcher die Dicke der Wände des Halters der Materialquelle oder des Substrats das 0,05-fache bis zum 0,2-fachen des größten Durchmessers des Prismas oder des Pyramidenstumpfes beträgt.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, in welchem die Heizquelle oder die Gruppe von Heizquellen aus Lasern besteht.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, in welchem die Heizquelle aus Beleuchtungseinrichtungen besteht.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, in welchem ein Hochfrequenzinduktor, Laser und/oder Beleuchtungseinrichtungen gleichzeitig als Hitzequellen verwendet werden.
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