DE1696075B2 - Verfahren zur partiellen Galvanisierung einer Halblefterschicht - Google Patents
Verfahren zur partiellen Galvanisierung einer HalblefterschichtInfo
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Description
rer Leitfähigkeit führt, eine übermäßige Erhitzung aber unter Umständen auch Nachbarbezirke kristallisiert,
die nicht überzogen werden sollen.
Vorzugsweise wird die amorphe Halbleiterschicht mit der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben
flach auf einer Unterlage aus gut wärmeisolierendem Material liegend behandelt. Die Verwendung des gut
wärmeisolierenden Materials für die Unterlage stellt sicher, daß an der Grenzschicht zwischen Halbleiterschicht
und Unterlage keine Wärme über die Unterlage auf benachbarte, nicht zu kristallisierende Halbleiterbezirke
einwirken kann. Man ist aber nicht unbedingt auf die Verwendung einer wärmeisolierenden Unterlage
angewiesen. Verwendet man statt dessen ein wärmeleitende Unterlage, dann erzielt man die gleiche Wirkung,
wenn man diese während der lokalen Erhitzung der Halbleiterschicht kühlt.
In der Regel genügen für die meisten hier in Frage kommenden Anwendungszwecke von galvanisierten
Halbleiterschichten solche in der Stärke einiger Mikrön. Bei so dünnen Schichten wird die Kristallisation
am einfachsten so vorgenommen, daß sie sich durch die ganze Schichtstärke erstreckt, wiewohl man sie auch
auf eine Oberflächenschicht der Halbleiterschicht beschränken kann, wenn man die lokale Erwärmung entsprechend
drosselt. Dies ist aber bei sehr dünnen Schichten nur schwierig durchzuführen, weshalb man in
Fällen, in denen die Kristallisation nicht die ganze Schichtstärke erfassen soll, besser von einer stärkeren
Halbleiterschicht ausgeht.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Leitfähigkeit des kristallisierten wie auch des amorphen Halbleiters
von einer vorgenommenen Dotierung abhängig. Man kann sich diesen Umstand zunutze machen und die für
die Galvanisierung erwünschten optimalen Leitfähigkeitsverhältnisse zwischen amorphen und kristallinen
Halbleiterbezirken durch Dotierung des amorphen Halbleiterausgangsmaterials voreinstellen.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 unter a und b jeweils im Diagramm die für die
Kristallisation in Germanium erforderlichen Temperaturen und die zugehörigen Widerstände,
F i g. 2 die lokale Kristallisation einer Halbleiterschicht mittels eines Elektronenstrahls,
F i g. 2A den Schnitt 2A/2A aus F i g. 1,
F i g. 3 schematisch das Galvanisieren einer lokal kristallisierten
Halbleiterschicht und
F i g. 4 eine lokal kristallisierte Halbleiterschicht, deren kristalline Bereiche an ein aufgebrachtes Leitungssystem
angeschlossen sind.
In F i g. 1A ist der unter Normalbedingungen gemessene
spezifische elektrische Widerstand R von Germanium gegen diejenige Temperatur T aufgetragen, auf
die die Unterlage aufgeheizt wird während das Germanium auf die Unterlage aufgedampft wurde. In F i g. 1B
ist auf der vertikalen Achse wie in F i g. 1A der unter
Normalbedingungen gemessene spezifische elektrische Widerstand R des Germaniums aufgetragen. Das nach
Fig. IB vermessene Germanium wurde bei relativ niedriger Temperatur von etwa 250 Grad Celsius auf
der Unterlage niedergeschlagen.
Beim Aufdampfen gemäß F i g. 1A entsteht kristallines
und amorphes Germanium, und zwar je nachdem wie hoch die Temperatur der Unterlage beim Aufdampfen
war. Der später unter Normalbedingungen gemessene spezifische Widerstand des kristallinen Germaniums
ist um den Faktor 107 niedriger als der des
amorphen Germaniums. Bei der Verfahrensweise nach F i g. 1B entsteht zunächst amorphes Germanium, das
in kristallines Germanium umgewandelt wird, wenn die Temperatur der Unterlage auf mindestens 425°C erhöht
wird. Bleibt man unter dieser kritischen Temperatur, dann bleibt das Germanium amorph. Will man die
Umwandlung des zunächst amorph niedergeschlagenen Germaniums in kristallines Germanium durch einen
Elektronen- oder Laserstrahl erzielen, dann muß durch diesen Strahl das amorphe Germanium auf mindestens
425° C lokal erhitzt werden. Die entsprechenden Temperaturen zur Umwandlung amorphen Siliziums in kristallines
Silizium liegen etwas höher als die aus F i g. 1 ersichtlichen für Germanium.
Will man einen Film aus amorphem Material herstellen, der nach der Erfindung behandelt werden soll, dann
muß man von einem geeigneten Halbleiter ausgehen und beim Aufbau unterhalb der kritischen Temperatur
bleiben. Das Ausgangsmaterial kann dabei erforderlichenfalls dotiert sein. Wenn man den Film gemäß
F i g. 1A durch Anlagerung aus einer Dampfatmosphäre aufbaut, dann erfolgt diese Anlagerung in der Regel
auf einer Unterlage und wenn man diese Unterlage unterhalb von 2500C hält, dann ist man auf Grund der aus
Fig. IA ersichtlichen Temperaturverhältnisse sicher,
daß sich bei Germanium der Film in amorpher Struktur aufbaut, beziehungsweise anlagert, weil bei einer Unterlagentemperatur
von 250° C der sich aufbauende Germaniumfilm die kritische Temperatur von etwa
3000C nicht erreicht.
Man kann einen amorphen Halbleiter, der in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden soll, auf verschiedene
Weisen dotieren. Eine Möglichkeit besteht darin, bei der Vakuumverdampfung gleichzeitig das
Halbleitermaterial und die Dotierung zu verdampfen, beziehungsweise aufzudampfen. In einem solchen Fall
muß man Vorrichtungen vorsehen, um das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten in der Dampfphase
auf den gewünschten Wert einzustellen. Man kann auch bei der Verdampfung von einem Grundmaterial
ausgehen, das bereits dotiert ist. In einem solchen Fall hat der niedergeschlagene Film aber nicht die gleiche
Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial, aber man kann die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials
so wählen, daß der dann aufgedampfte Film die jeweils gewünschte Zusammensetzung hat.
In F i g. 2 ist mit 10 eine Unterlage, z. B. aus Quarz, bezeichnet, auf dessen Oberfläche 11 durch Vakuumverdampfung
eine amorphe Schicht 12 aus Germanium aufgebracht ist. Die Schicht 12 ist etwa 1 Mikron stark.
Die Germaniumschicht 12 kann durch lokale Erhitzung aus ihrem amorphen Ausgangszustand in einen kristallinen
Zustand umgesetzt werden. In der Praxis wird zu diesem Zweck die in F i g. 2 dargestellte Anordnung,
bestehend aus der Unterlage 10 und der Schicht 12 in ein Vakuum von der Größenordnung 10-5 Torr gebracht.
Im Vakuum wird dann aus einer Elektronenkanone 14 ein Elektronenstrahl 16 über die Oberfläche 17
der Schicht 12 geführt. Der Elektronenstrahl ist dabei auf die Oberfläche 17 fokussiert in der dargestellten
Stellung, also auf dem Punkt 18. Der Elektronenstrahl 16 wird entlang der Spuren 21 bis 23 über die Oberfläche
17 geführt und erhitzt die amorphe Schicht 12 entlang dieser Spuren so stark, daß das Germanium kristallisiert.
Wenn man bei diesem Vorgang die Unterlage 10 kühlt, dann kann die zur Auskristallisierung des
Germaniums zugeführte Wärme durch Difussion schnell abgeführt werden, so daß das Germanium sich
in der Nachbarschaft der Spuren 21 bis 23 nicht so weit erhitzen kann, wie dies zur Auskristallisierung erforderlich
ist. Die Umkristallisierung findet dann nur auf den Spuren 21 bis 23 statt und ist scharf auf diese begrenzt.
Wie in F i g. 2A zeichnerisch angedeutet, erstreckt sich die Umkristallisierung entlang der Spuren 21 bis 23
durch die ganze Stärke der Schicht 12 hindurch. Man kann die Bedingungen auch leicht so wählen, daß die
Umkristallisation nicht die ganze Stärke der Schicht 12 erfaßt, sondern auf einen oberflächlichen Bereich be- ίο
schränkt ist. Es ist zweckmäßig, aber nicht unbedingt nötig, bei der Umkristallisation die Unterlage 10 zu
kühlen. Durch eine solche Kühlung kann man die Erhitzung und damit die Umkristallisation scharf auf die
Spur des Elektronenstrahls begrenzen. Kommt es dagegen darauf an, mit möglichst wenig Energiezufuhr
eine Umkristallisation durchzuführen, dann verwendet man zweckmäßig als Unterlage einen Wärmeisolator,
so daß die durch den Elektronenstrahl in der Schicht 12 hervorgerufene Wärme nicht ohne weiteres ungenutzt
abfließen kann. Der Umkristallisationsprozeß erfaßt dann unter Umständen auch den Spuren 21 bis 23 benachbarte
Bezirke der Schicht 12, die nicht unmittelbar von dem Elektronenstrahl betroffen sind.
Die Schicht 12 sollte so stark gewählt sein, daß die kristallinen Bereiche, die durch lokale Erhitzung wie
beschrieben erzeugt werden, für die Leitung des Stromes zum Galvanisieren ausreichen. In der Praxis hat es
sich bei besonderen Umständen als schwierig erwiesen, einen amorphen Film nur in einem oberflächlichen Bereich
der Spuren auszukristallisieren, es sei denn, dieser Film beziehungsweise diese Schicht hat eine entsprechend
große Stärke. Aus diesem Grunde wird nach der Erfindung vorzugsweise die amorphe Schicht 12 über
die ganze Schichtstärke bis zur Oberfläche 11 der darunterliegenden Unterlage durchkristallisiert. Ist die Unterlage
ein guter Wärmeisolator, dann lokalisiert sich die Erhitzungszone auf den Bereich der Spuren des
Elektronenstrahls auch in dem Bereich zwischen der Schicht 12 und der Unterlage 10. Wenn man die Unterlage
mit genügender Stärke und aus wenig wärmeleitendem Material ausbildet, dann wird die eingebrachte
Wärme eng in dem Bereich der erhitzten Verbindung zwischen der Halbleiterschicht 12 und der Unterlage 10
gehalten und in ihrer Wirkung auf die Spuren 21 bis 23 eng begrenzt.
F i g. 3 zeigt schematisch ein Bad zum Galvanisieren der Spuren 21 bis 23, die, wie im Text zu F i g. 2 beschrieben,
auskristallisiert sind. Die Unterlage 10 mit der wie im Text zu F i g. 2 behandelten Schicht 12 wird
zu diesem Zweck in den Behälter 24 gelegt, der mit einer wäßrigen Zyanidlösung als galvanisches Bad 26
gefüllt ist. Entlang der kristallisierten Spuren 21 wird ein Metall, z. B. Kupfer oder Silber, galvanisch niedergeschlagen.
Mit 28 ist eine in das Bad 26 eingetauchte Anode bezeichnet, die an eine Batterie 32 angeschlossen ist.
Der negative Anschluß der Batterie 32 liegt über die Leitung 34 und einen verstellbaren Widerstand 36 sowie
einen Schalter 38 an einer elektrisch leitenden Sonde 40. Die Sonde ist bis auf ein zu einer scharfen Spitze
42 ausgezogenes freies Ende durch einen Isolator 41 isoliert. Die Spitze 42 berührt die Oberfläche 17 der
Schicht 12. Gemäß der Darstellung nach F i g. 3 ist bereits entlang der Spuren 22 und 23 jeweils ein Metallstreifen
22A 23/4 abgeschieden. Um auch entlang der Spur 21 einen solchen Metallstreifen abzuscheiden,
wird die Spitze 42 der Sonde entlang dieser Spur 21 geführt, während gleichzeitig mittels des Widerstandes
36 bei geschlossenem Schalter 38 ein für die Galvanisierung erforderlicher Stromfluß eingestellt wird. Da
der kristalline Bereich entlang der Spur 21 wesentlich besser elektrischen Strom leitet als die benachbarten
amorphen Bereiche der Schicht 22, bildet sich auf der Spur 21 eine streifenförmige metallische Schicht, die
über ihre Breite weitgehend gleiche Stärke hat.
Obwohl der kristalline Bereich entlang der Spur 21 wesentlich größere Leitfähigkeit als die benachbarten
amorphen Bereiche hat, hat der wie eben beschrieben abgeschiedene metallische Streifen eine noch viel höhere
elektrische Leitfähigkeit, so daß dieser Metallstreifen praktisch ein elektrischer Kurzschluß für die
darunterliegenden kristallisierten Bereiche der Schicht 12 ist. Das kristalline Material ist in dieser Weise elektrisch
kurzgeschlossen, weil der Widerstand des abgeschiedenen Metallstreifens in der Größenordnung von
10~6 bis 10"5Ohm pro cm liegt, während der Widerstand
des kristallisierten Halbleitermaterials der Schicht 12 auf 10~2 bis 10~3Ohm pro cm leicht eingestellt
werden kann.
Die Metallstreifen 21/4 bis 23/4 können in üblicher
Weise als Stromleiter oder Kontaktverbindungen verwendet werden.
An Hand der F i g. 4 wird nun erläutert, wie für besondere Anwendungsfälle die kristallisierten Spuren 21
bis 23 an äußere Leiter angeschlossen werden können. Gemäß F i g. 4 ist mit 44 ein elektrisch leitender Rahmen
bezeichnet, der in bekannter Weise durch Aufdampfen im Vakuum unter Zwischenschaltung einer
Maske auf die Schicht 12 aufgebracht ist. Von dem Rahmen 44 gehen Abzweigungen 46 bis 48 aus, die in
elektrischem Kontakt mit den kristallinen Spuren 21 bis 23 stehen. Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung, bestehend
aus der Unterlage 10, der Schicht 12 und dem aufgebrachten metallischen Rahmen 44, wird nun in das
Bad 26 gemäß F i g. 3 gebracht, wobei bei eingeschaltetem Strom die Spitze 42 an irgendeiner Stelle des Rahmens
44 mit diesem in elektrischen Kontakt gebracht wird, so daß wieder Metallstreifen 2\A bis 23/4 abgeschieden
werden. Wenn man die Abzweigungen 46 bis 48 für die spätere Anwendung nicht benötigt, kann man
sie abtragen, z. B. durch Ätzung.
Bei der Unterlage 10 handelt es sich entweder um einen guten thermischen Isolator, z. B. aus eingeschmolzenem
Quarz, oder die Unterlage ist, wenn sie wärmeleitend ist, während der lokalen Erhitzung gemäß
F i g. 2 von außen gekühlt, so daß in jedem Fall die mit dem Elektronenstrahl 16 angestrebte lokale Erhitzung
und damit auch die lokale Kristallisation auf die von dem Elektronenstrahl tatsächlich betroffenen Teile
beschränkt ist.
Als Halbleitermaterialien für die Halbleiterschicht 12
kommen unter anderem Germanium oder Silizium in Frage. Sowohl bei Silizium als auch bei Germanium
wird die Leitfähigkeit durch die Konzentration einer Dotierung bestimmt. Sie kann entweder η-leitend oder
p-leitend sein. Sowohl bei Silizium als auch bei Germanium ist die Leitfähigkeit bei vorgegebener Dotierungskonzentration
in der kristallinen Phase stärker als in der amorphen Phase von dieser Dotierungskonzentration
abhängig. Diese Umstände machen es möglich, durch Dotierung des amorphen Ausgangsmaterials die
Leitfähigkeitsunterschiede zwischen den amorphen und dem kristallinen Material voreinzustellen.
Bei der praktischen Anwendung nach der Erfindung galvanisierter Halbleiterschichten, z. B. in Verbindung
mit integrierten Schaltungen, ist es auch möglich, die amorphen Teile der Halbleiterschichten als aktive oder
passive Schaltungselemente ganz oder teilweise mit in die integrierte Schaltung einzubeziehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zum partiellen Galvanisieren einer Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Halbleiterschicht aus amorphem Halbleitermaterial hergestellt wird, die dann durch
lokale Erhitzung auf der zu überziehenden Oberflächenseite lokal in kristallinen Zustand umgewandelt
und dadurch lokal elektrisch leitfähig gemacht wird und daß dann die Galvanisierung nur auf diesen,
leitfähig gemachten Bezirken erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung durch Bestrahlung
der zu überziehenden Oberflächenseite mit einem auf diese Oberflächenseite lokussierten Energiestrahl
erfolgt, der nach Maßgabe eines angestrebten Überzugsmusters über die Halbleiterschicht
geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung mit einem Elektronenstrahl
vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung mit einem Laserstrahl
vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphe Halbleiterschicht mit der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben flach auf
einer Unterlage aus gut wärmeisolierendem Material liegend behandelt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
amorphe Halbleiterschicht mit der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben flach auf einer Unterlage
aus wärmeleitendem Material liegend behandelt wird und bei der lokalen Erhitzung der
Halbleiterschicht die Unterlage gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphe Halbleiterschicht in einer Stärke im Bereich von einigen Mikron hergestellt wird und
die lokale Kristallisation durch die ganze Schichtstärke vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das für die Galvanisierung erwünschte Leitfähigkeitsverhältnis zwischen amorphen und kristallinen
Halbleiterbezirken durch Dotierung des amorphen Halbleiterausgangsmaterials voreingestellt
wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Galvanisierung erfolgt, indem mit einer kathodisch vorgespannten Elektrodenspitze die kristallinen
Bezirke einer in ein anodisch vorgespanntes Elektrolytbad gelegten vorbereiteten Halbleiterschicht
nachgefahren werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Galvanisierung erfolgt, indem zunächst die kristallinen Bezirke einer vorbereiteten Halbleiterschicht
an ein zu diesem Zweck auf die Halbleiterschicht aufgebrachtes metallisches Leitersystem angeschlossen
werden und daß dann dieses Leitersystem kathodisch vorgespannt wird, während sich die
Halbleiterschicht in einem anodisch vorgespannten Elektrolytbad befindet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen Galvanisierung einer Halbleiterschicht. Für viele Anwendungsfälle
sind Halbleiterschichten mit Überzügen nach einem bestimmten vorgegebenen Muster, z. B. in
Form eines elektrischen Leitungssystems wünschenswert. Dies ist z. B. bei der Verwendung solcher Halbleiterelemente
bei integrierten Schaltungen der Fall.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die
Galvanisierung nach einem vorgegebenen Muster durchgeführt werden kann. Der Überzug soll dabei entsprechend
den sich aus der späteren Anwendung ergebenden Forderungen mit sehr hohem optischen Auflösungsvermögen,
d. h. also sehr präzise, nach dem vorgegebenen Muster aufbringbar sein. Schließlich sollen
auch feine Musterstrukturen in den Überzug übertragbar sein.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterschicht aus amorphem Halbleitermaterial
hergestellt wird, die dann durch lokale Erhitzung auf der zu überziehenden Oberflächenseite lokal in kristallinen
Zustand umgewandelt und dadurch lokal elektrisch leitfähig gemacht wird und daß dann die Galvanisierung
nur auf diesen leitfähig gemachten Bezirken erfolgt.
Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß Halbleitermaterialien in ihrer amorphen Struktur wesentlich
geringere elektrische Leitfähigkeit haben, als in ihrer kristallinen Struktur. Diese Leitfähigkeitsverhältnisse
zueinander sind zwar von der Dotierung des Ausgangshalbleitermaterials abhängig, aber die Leitfähigkeit
des kristallinen Materials ist immer wesentlich höher als die des amorphen Materials. Die Erfindung
macht sich weiter den Umstand zunutze, daß eine amorphe Halbleiterschicht durch lokale Erhitzung lokal
kristallisiert werden kann, so daß sich an den Stellen, die lokaler Erhitzung ausgesetzt waren, Bezirke höherer
Leitfähigkeit ergeben. Für das Galvanisieren ist bekanntlich die elektrische Leitfähigkeit der Unterlage,
die überzogen werden soll, maßgeblich, und man kann leicht die Galvanisierung einer so vorbereiteten Halbleiterschicht
so ansetzen, daß der Überzug streng und exakt auf die kristallisierten Bezirke beschränkt ist,
auch wenn die amorphen Bezirke eine geringe elektrisehe Leitfähigkeit haben.
Als sehr vorteilhaft für die Erfindung erweist sich die Tatsache, daß die lokale Erhitzung mit einem Schreibstrahl
durchführbar ist. Die dementsprechende Weiterbildung des erfinderischen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß die lokale Erhitzung durch Bestrahlung der zu überziehenden Oberflächenseite mit einem
auf diese Oberflächenseite fokussierten Energiestrahl erfolgt, der nach Maßgabe eines angestrebten Überzugsmusters
über die Halbleiterschicht geführt wird.
Diese Weiterbildung des erfinderischen Verfahrens zeichnet sich durch eine sehr einfache Umkristallisierung
präzise nach einem vorgegebenen Muster aus, weil in der Technik Energiestrahlen zur Verfügung stehen,
z. B. als Elektronenstrahl oder als Laserstrahl, die mit bekannten einfachen Mitteln fokussierbar und auch
nach einem vorgegebenen Muster über eine Oberfläche geführt werden können. In Verbindung mit solchen
Energiestrahlen kann die lokale Erhitzung nicht nur präzise lokalisiert, sondern auch präzise dimensioniert
werden und eine präzise Dimensionierung ist im Interesse einer präzisen Galvanisierung deshalb wünschenswert,
weil eine zu geringe lokale Erhitzung nur zu einer unvollständigen Kristallisierung und damit zu geringe-
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