Techniklexikon

Epitaxie

Allg. die Bildung eines Kristalls durch Anlagerung von Atomen oder Molekülen an ein Ausgangskristall, dessen Struktur von dem sich bildenden »kopiert« wird. Sind Ausgangs- und sich bildender Kristall vom gleichen Material, spricht man von Homo-E. , sind sie verschieden, von Hetero-E. . E. schafft vielfach die Voraussetzung zur Herstellung von Halbleitern; das Grundmaterial für Solarzellen z. B. wird meist aus auf diese Weise »gewachsenen« Einkristallen gewonnen. In der Elektronik: 1. Prozeß des Aufwachsens einkristalliner Schichten (Einkristall) auf einen meist einkristallinen Träger. Beim epitaktischen Aufwachsen gibt der Träger die Information über die Kristallorientierung weiter und bestimmt damit die Anordnung der Atome der aufwachsenden Schicht. Bestehen Träger und Schicht aus gleichem Material (z. B. Silicium), so spricht man von Homo-E. Mit Hetero-E. wird das Aufwachsen einer aus zum Träger verschiedenem Material bestehenden Schicht bezeichnet (z. B. Gallium-Aluminium-Ar-senid auf Galliumarsenid). 2. Verfahren zum Aufwachsen einkristalliner Schichten. Die Vielzahl der Verfahren läßt sich auf drei Grundtypen zurückführen. Die Abscheidung von in der Gasphase bzw. an der Waferober-fläche freigesetzten Halbleiteratomen nutzt die Gasphasen-E. Bei der Flüssigpha-sen-E. wächst die Schicht auf, indem man die Scheibe mit einer Schmelze in Kontakt bringt und anschließend abkühlt. Darauf beruht auch die Kristallzüchtung. Die Molekularstrahl-E. nutzt die Kondensation im Hochvakuum. Bei der Produktion von Bauelementen auf der Basis von III-V-Halbleitern haben alle drei Verfahren Bedeutung, während in der Siliciumtechnik die Gasphasen-E. dominiert. Gleichzeitig mit der E. erfolgt eine Dotierung der aufwachsenden Schicht. Die E. auf nichtkristallinen Trägern befindet sich in der Entwicklung. Man nutzt dabei einen speziell strukturierten Träger (Grapho-E.) oder spezielle Techniken des Aufschmel-zens und der Rekristallisation von durch CVD abgeschiedenen Poly-Silicium-schichten (Polysilicium), meist mit Hilfe von Lasern. Elektronik, HalbleiterphysikOberflächen- und Grenzflächenphysik, die Herstellung dünner Schichten aus Metallen, Halbleitern oder Isolatoren, die i.a. einkristallin auf einer einkristallinen Unterlage (Substrat) gleichen oder unterschiedlichen Materials (Homoepitaxie bzw. Heteroepitaxie) abgeschieden werden. Insgesamt existieren eine Vielzahl von unterschiedlichen Epitaxieverfahren und eine noch grössere Zahl an Namen und Abkürzungen zu ihrer Beschreibung, manchmal sogar mehrere Bezeichnungen für ein- und dasselbe Verfahren, je nachdem, welcher Aspekt betont ist. Allen Epitaxiemethoden ist gemeinsam, dass Quellenmaterialien mit den elementaren Bestandteilen der zu wachsenden Schicht über ein Substrat gebracht werden, auf dem diese, teils nach chemischer Reaktion, als dünne Schicht aufwachsen. Ob und wie dies geschieht, hängt von verschiedenen Parametern ab, wie zum Beispiel von Orientierung und Qualität der Substratoberfläche, Substrattemperatur und Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Schicht. Unterschiedlich sind auch Form und Zusammensetzung der Quellenmaterialien, Arbeitsdruck und Wachstumsmechanismen an der Oberfläche. Hinsichtlich des Aggregatzustandes der aufwachsenden Spezies unterscheidet man zwischen Flüssigphasenepitaxie (LPE, Liquid Phase Epitaxy) und Dampf- bzw. Gasphasenepitaxie (VPE). Die Flüssigphasenepitaxie wird vor allem in der III-V-Epitaxie zum Wachstum dickerer Halbleiterschichten eingesetzt und war lange Zeit die beste Methode zur Herstellung qualitativ guter Schichten. Die LPE ist allerdings nicht imstande, Strukturen mit atomarer Perfektion herzustellen. Die Gasphasenepitaxie verwendet gasförmige Ausgangsmaterialien. Sie kann weiter unterteilt werden in Molekularstrahlepitaxie (MBE, Molecular Beam Epitaxy) und chemische Dampfstrahlepitaxie oder chemische Gasphasenepitaxie (CVE, Chemical Vapor Epitaxy).

Die MBE wird im Ultrahochvakuum durchgeführt, die Quellmaterialien liegen in elementarer Form vor und werden aus sog. Effusionszellen auf das Substrat gedampft. Ein grosser Vorteil der MBE gegenüber anderen Methoden ist die Möglichkeit, die Dampfstrahlen und damit die Wachstumsbedingungen präzise zu steuern, und dadurch Schichtstrukturen mit atomarer Perfektion zu wachsen. Da sie im UHV arbeitet, stehen ausserdem die Oberflächenanalysemethoden als In-situ-Diagnostik zur Verfügung. MBE wird ausser in der Forschung auch industriell bei der Produktion von Halbleiterbauelementen, wie z.B. modulationsdotierten Feldeffekttransistoren (MODFETs) und Halbleiterlasern, eingesetzt.

Die CVE arbeitet je nach Verfahren im Druckbereich von 760 bis zu 0,001 Torr. Quellmaterialien sind chemische Verbindungen, die das zum Schichtwachstum erforderliche Element beinhalten. Während in der MBE Wachstum durch Kondensation stattfindet und die Quellmaterialien lediglich einen Phasenübergang erfahren, ist in der CVE zusätzlich eine chemische Reaktion erforderlich. Diese kann thermisch, aber auch mittels Plasmaanregung (Plasma-enhanced CVD) oder Belichtung (Photolytic CVD) stimuliert werden. Anstelle von CVE wird häufig der Begriff CVD (Chemical Vapor Deposition) benutzt, der auch das Wachstum polykristalliner oder amorpher Stoffe beinhaltet. Bei Verwendung metallorganischer Vorläufersubstanzen (Precursoren), wie in der III-V-Epitaxie üblich, spricht man von MOCVD (Metal Organic CVD), bzw. MOVPE (Molecular Chemical Vapor Epitaxy). Die CVD wird in vielen Bereichen der Halbleiterindustrie, in letzter Zeit aber auch zunehmend in der Forschung eingesetzt. Ein Nachteil der CVD ist die hohe Toxizität und Brennbarkeit vieler Precursoren.

Eine Zwischenstellung nimmt die metallorganische Molekularstrahlepitaxie (Metal Organic Molecular Beam Epitaxy, MOMBE), CBE (Chemical Beam Epitaxy), oder Gas-Source-MBE ein. Diese Methode benutzt Gase als Quellmaterialien. Diese werden nach Einlass ins UHV (teilweise) vorzerlegt und als Molekularstrahl auf die Probe gelenkt. Auch in der Atomlagenepitaxie (ALE, Atomic Layer Epitaxy) wird ein Teilchenstrahl auf das Substrat gelenkt, so dass Schichten mit einer Dicke von einer Atomlage reproduzierbar auf einem Substrat aufgebracht werden können. [URE]