DE2855788A1

DE2855788A1 - Schichtstruktur mit mindestens einer kontinuierlichen epitaxieschicht und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2855788A1
Application number: DE19782855788
Authority: DE
Inventors: John Wauchope Matthews; William Michael Stobbs
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1979-07-19
Also published as: JPS5494479A; GB2011953A; US4174422A; FR2413126A1; IT1160395B; GB2011953B; FR2413126B1; CA1112986A; JPS5621756B2; IT7831213A0

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

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Schichtstruktur mit mindestens einer kontinuierlichen Epitaxieschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Schichtstruktur, zu der ein einkristallines Substrat aus einem ersten Material, eine Zwischenschicht aus einem zweiten Material und eine darüber aufgebrachte kontinuierliche Epitaxieschicht aus einem dritten Material gehören, und ein Verfahren insbesondere zur Herstellung einer solchen Struktur.

Einkristalle vieler Materialien sind epitaxial auf einem Substrat aufgewachsen worden, welches aus einer Einkristallstruktur bestand. Jedoch ist die Perfektion der so erhaltenen Filme im allgemeinen gering, es sei denn, daß die in spannungsfreiem Zustand gemessenen Gitterparameter des Films und des Substrats praktisch gleich sind, d.h. daß die Fehlanpassung klein ist. Es ist beispielsweise möglich, perfekte Filme von dotiertem Silicium auf Silicium aufzuwachsen, wobei die Fehlanpassung in der Größenordnung von 10 liegen kann, aber es ist schwierig, perfekte Filme von GaP auf GaAs aufzuwachsen, weil in diesem Fall die Fehlanpassung einen Wert von etwa 4 · 10 hat. Wenn die Fehlanpassung klein ist, können dünne, auf einem Substrat aufgewachsene Filme manchmal elastisch verzerrt werden und passen dann zu dem Substrat. Zu den Beispielen, welche in dem Artikel "Coherent Interfaces and Misfit Dislocations" in dem Buch "Epitaxal Growth, Part B", herausgegeben von J. W. Matthews, Seiten 572 bis 573, Academic Press, New York, 1975 erwähnt sind, gehören Nickel auf Kupfer, Gold auf Silber, Palladium auf Gold, Platin auf Gold, Kobalt auf Kupfer, α-Eisen auf Kupfer, α-Eisen auf

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Gold, Germanium auf Galliumarsenid, Bleisulfid auf Bleiselenid und Granatfilme auf Granatsubstraten.

Es ist auch wohlbekannt, daß flächenzentrierte kubische Metalle dazu neigen, schwache Bindungen mit Alkalihaliden einzugehen, und daß in einer Reihe von Fällen epitaxial ausgerichtete dünne Filme, welche allerdings eine schlechte Qualität haben, auf solchen Substraten aufgewachsen werden können, trotzdem die Fehlanpassungen relativ groß sind (siehe J. W. Matthews in dem oben zitierten Buch, Seite 566). Beim Vorliegen solcher Verhältnisse beginnt das Aufwachsen des epitaxialen Films mit der Bildung von voneinander isolierten dreidimensionalen Inseln.

Viele unvollständige Lösungen für das Problem, epitaxiale Filme guter Qualität auf einem Substrat aufzuwachsen, wenn eine große Fehlanpassung zwischen Substrat und dem aufwachsenden Film vorliegt, sind beschrieben worden. Abrahams u.a. haben (s. Journal of Material Science, Band 4, Seite 223 (1969)) gezeigt, daß, wenn auf einem Substrat zunächst eine Legierungsschicht mit abgestufter Zusammensetzung und dann erst die Schicht aus dem gewollten Material aufgewachsen wird, eine Abscheidung er halten werden kann, welche eine relativ niedrige Versetzungsdichte aufweist. Es sollte jedoch klargestellt werden, daß die erhaltene Defektdichte in dem schließlich erhaltenen Film alles andere als ideal ist. Sie ist viel höher als die Defektdichte im Substrat. Das Verfahren ist auch unpraktisch, wenn die Fehlanpassung größer als einige Prozent ist, weil der Gitterkonstantengradient in dem abgestuften Bereich klein sein muß. Wenn die Fehlanpassung groß ist, würde dann die Dicke des abgestuften Bereichs untolerierbar groß werden.

Das US-Patent 3 935 040 lehrt das epitaxiale Abscheiden einer Schicht aus einer SiGe-Legierung auf einem einkristallinen

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Substrat aus reinem Silicium, indem die Ge-Konzentration von 0 auf 8 % über eine Schichtdicke von einigen ym allmählich erhöht wird, wobei Niederschlagstechniken aus der Dampfphase angewandt werden. Dann wird GaP auf der SiGe-Legierung abgeschieden. Die Gitterkonstante von Silicium ist 5,42 und diejenige von GaP ist 5,45. Die relativ kleine Pehlanpassung (0,56 %) wird durch das oben genannte Verfahren reduziert. Das Ergebnis kann auch unbefriedigend sein, wenn die Dicken oder die elektrischen Eigenschaften der Zwischenschichten wichtig sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Schichtstruktur, bei welcher auf einem einkristallinen Substrat mindestens eine kontinuierliche Epitaxieschicht mit geringer Defektdichte aufgebracht ist, wobei sich die Gitterkonstanten der Epitaxieschicht von der des Substrats stark unterscheidet, und ein einfaches Verfahren zum reproduzierbaren Herstellen einer solchen Struktur anzugeben, welches sich in einer fabrikmäßigen Fertigung einsetzen läßt.

Diese Aufgabe wird mit einer Struktur der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs und mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 8 gelöst.

Zwar enthält das US-Patent 3 661 676 die Lehre, kleine Al₂O₃-Einkristalle, welche auf einem Substrat aus polykristallinem Silicium positioniert und aufgeklebt sind, zur Bildung eines großen Al-O-j-Einkristalls zu verwenden, wobei AlCIo in der Gegenwart von Wasserdampf katalytisch oxidiert wird. Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen dadurch, daß das Substrat kein Einkristall ist, und daß die kleinen Kristalle aus demselben Material wie der große bestehen, weshalb keine Fehlanpassung zwischen den Gitterkonstanten der Schichten vorhanden sind.

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Im US-Patent 3 788 890 ist auch ein Epitaxieverfahren beschrieben, mit dem auf einer geeigneten einkristallinen Fläche beispielsweise mittels Vakuumabseheidung eine Epitaxieschicht aufgewachsen wird. Bei diesem Verfahren wird aber keine Zwischenschicht angewandt.

Überraschenderweise weist die erfindungsgemäße Struktur, trotzdem sich die Gitterkonstanten der angewandten Materialien stark unterscheiden, eine sehr geringe Fehlerdichte auf. Dieses Phänomen wird in der Beschreibung genauer erläutert.

Es ist vorteilhaft, wenn in der erfindungsgemäßen Struktur die Inseln aus dem zweiten Material eine halbkugelförmige Gestalt haben, klein sind, schwach an das Substrat gebunden sind und die Werte ihrer Gitterparameter zwischen denjenigen des ersten und des dritten Materials liegen. Es wurde festgestellt, daß, wenn man bei der Herstellung der Struktur es zuläßt, daß die Inseln in der Zwischenschicht größer werden und eine kubische Gestalt annehmen, die Fehlerdichte größer ist, als wenn die Inseln klein sind und eine halbkugelförmige Gestalt haben. Durch die schwache Bindung ist es den Inseln möglich, sich auf dem Substrat während dem Abscheiden der Epitaxieschicht zu bewegen, wodurch es möglich ist, daß Bereiche der Epitaxieschicht, welche von unterschiedlichen Inseln aus aufgewachsen sind, sich auch dann ohne Entstehung eines Stapelfehlers vereinigen können, wenn beim Zusammentreffen keine vollkommene Gitterentsprechung vorliegt. Diese vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Struktur fehlen beispielsweise in der Struktur, welche mittels des in der oben genannten US-Patentschrift 3 661 676 beschriebenen Verfahrens hergestellt worden sind, bei welchem die Keimkristalle nicht mikroskopisch klein sind, keine halbkugelfömige Oberfläche haben und nicht schwach an das Substrat gebunden sind.

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In vorteilhafter Weise kann auf der kontinuierlichen Epitaxieschicht eine weitere Schicht epitaxial aufgebracht sein, sofern die Gitterparameter der die Epitaxieschichten bildenden Materialien sehr ähnlich sind.

Es ist vorteilhaft, wenn das Substrat aus NaCl, die Inseln aus Nickel, die kontinuierliche Epitaxieschicht aus Silber und die auf dieser aufgebrachte Epitaxieschicht aus Gold bestehen.

Es ist dabei günstig, wenn die Nickelinseln einen Durchmesser von <_ ungefähr 20 nm haben und ungefähr 5 bis ungefähr 30 % der Fläche des Substrats bedecken, auf der die Schichten aufgewachsen sind. Die in etwa halbkugelförmige Gestalt und Kleinheit der Inseln bewirkt, daß die elastischen Spannungen in der aufgewachsenen Schicht schnell mit dem Abstand von einer Insel abnehmen und daß die Atomadsorption an den Inseln verglichen mit der am Substrat auch dann relativ gering ist, wenn die Inseln das Substrat nur zu etwa 10 % bedecken.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Struktur ist nicht nur einfach, sondern auch rationell, weil es möglich ist, eine Aufwachsapparatur zu verwenden, in die das Substrat am Anfang des Prozesses eingelegt und dann erst wieder entnommen wird, wenn alle Schichten aufgewachsen sind.

Beispielsweise können die Schichten in einer Vakuumapparatur durch Niederschlagen im Vakuum, beispielsweise mittels Aufdampfung, aufgebracht werden. Eine aus Inseln bestehende Schicht entsteht beim Vakuumaufdampfen zunächst zwangsläufig, indem sich auf dem Substrat zuerst in zufälliger Verteilung Keime aus dem Materials welches die Inseln bildet? entstehen. Diese Keime werden dann bei weiterer

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Materialzufuhr größer und vereinigen sich schließlich zu einer geschlossen Schicht. Wird das Aufdampfen rechtzeitig unterbrochen, besteht die Schicht aus Inseln der gewünschten Größe.

Es ist vorteilhaft, wenn zur Herstellung einer epitaxialen Silberschicht bzw. von epitaxialen Silber- und Goldschichten auf einem NaCl-Substrat ein einkristalliner NaCl-Körper so

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in einem Vakuum von ungefähr 10 Torr gespalten wird, daß eine zur (100)-Richtung senkrecht liegende Ebene erhalten wird, wenn anschließend auf das auf ungefähr 250 C erwärmte Substrat ohne Änderung des Drucks eine sehr dünne, aus Inseln bestehende Nickelschicht und darauf eine geschlossene Silberschicht und gegebenenfalls eine geschlossene Goldschicht durch Aufdampfen aufgebracht wird.

In vorteilhafter Weise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum epitaxialen Aufwachsen von Schichten auf Substraten in solchen Fällen, in denen sich die Gitterparameter des Substrats von denjenigen der Schicht oder der Schichten unterscheiden, wobei auf das Substrat zunächst eine aus Inseln bestehende Schicht aufgewachsen wird, welche aus einem Material besteht, dessen Gitterkonstante sich sowohl von der der aufzuwachsenden Epitaxieschicht als auch von der des Substrats unterscheidet. Als vorteilhaft ist das Verfahren insbesondere für das epitaxiale Aufwachsen von GaAs auf einkristallinem Silicium, von GaP auf einkristallienm GaAs oder von Silicium auf einkristallinem Al^O-. anzusehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Struktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbexspielen beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine epitaxiale Dünnfilmstruktur gemäß der vorliegenden Erf indung,

Fig. 2 eine Mxkrophotographie eines Goldfilmes, welcher auf einem Silberfilm aufgewachsen worden ist, welcher seinerseits auf einer Vielzahl von ausgerichteten Nickelinseln aufgebracht ist, welche auf im Vakuum gespaltenen NaCl niedergeschlagen worden sind, und

Fig. 3 eine Mikrophotographie eines Goldfilmes, welcher auf einer Silberschicht abgeschieden worden ist, welche ihrerseits direkt auf im Vakuum gespaltenen NaCl niedergeschlagen worden ist, wobei die übrigen Verhältnisse dieselben waren wie beim Aufwachsen des in der Fig. 2 gezeigten Films.

Die Erfindung betrifft, wie schon gesagt, ein Verfahren und eine Struktur. Mit dem Verfahren wird die Struktur erzeugt, indem ungewöhnlich perfekte Epitaxieschichten auf Substraten aufgewachsen werden, obwohl eine große (größenordnungsmäßig M2 %) Fehlanpassung vorliegt.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine epitaxiale Struktur, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist. Ein Substrat 10 aus Natriumchlorid

-9 wurde im Hochvakuum bei einem Druck von weniger als 10 Torr gespalten. Eine dünne Schicht aus Nickelinseln 12 wurde dann auf der sauberen, senkrecht zur (100)-Richtung liegenden Oberfläche 11 des Substrats aufgebracht, wobei

das Substrat 10 eine Temperatur von 250 ⁰C hatte. Das Nickel

i 1 wurde solange abgeschieden, bis sich ungefähr 10 Inseln

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12 pro cm gebildet hatten, welche einen Durchmesser von

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ungefähr i0nm (d.h. 10 · 10 m) hatten. Wie es in dem nicht

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nicht maßstäblich gezeichneten schematischen Ausschnitt in der Fig. 1 gezeigt ist, neigen die Inseln 12 im allgemeinen dazu, eine halbkugelförmige Gestalt zu haben. Die Inseln 12 sind auch im allgemeinen - trotz einer großen Fehlanpassung - zum Substrat ausgerichtet und an dieses schwach gebunden. Eine allgemeine Darstellung der Vakuumabscheidung von dünnen Nickelfilmen auf heißem, gespaltenem NaCl findet sich in dem Artikel "Growth of Face-Centered-Cubic Metals in Sodium Chloride Substrates" von J. W. Matthews, im Journal of Vacuum Science and Technology, Bd. 13, Seiten 133 bis 145 (1966). Wie sich aus diesem Artikel ergibt, erhält man die Inseln, wenn man die Nickelabscheidung eine festgelegte Dicke nicht überschreiten läßt. Ein Silberfilm 13 wurde dann bei einem Druck

—9 ο

von ungefähr 10 Torr und einer Temperatur von 250 C abgeschieden, wobei ein kontinuierlicher, ungefähr 500 nm dicker Firn 13 gebildet wurde. Dieser Silberfilm 13 scheidet sich hauptsächlich an den Nickelinseln 12 und nicht an der darunterliegenden NaCl-Oberflache 11 kristallin ab. Das Niederschlagen eines einkristallinen Goldfilmes 14 mittels der Entspannungsverdampfung wird weiter unten beschrieben. Wird das Silber auf im Vakuum gespaltenem NaCl abgeschieden, so ist der dabei gebildete Film nicht nur fehlerhaft, er ist oft nicht einmal epitaxial (siehe dazu J. W. Matthews "The Role of Contaminants in the Epitaxial Growth of Gold on Sodium Chloride", Phil. Mag. ^2, 1143 bis 1154, 1965). Sind die Verhältnisse so, daß das Silber auf Nickelinseln aufgewachsen wird, dann wachsen die Nickel- und Silberschichten auf der (001)-Ebene des NaCl epitaxial auf, wobei die Oberflächen der aufwachsenden Schichten (001)-Ebenen sind, d.h. daß die Schichten parallele Kristallstrukturen entlang dieser Ebenen haben. Es muß allerdings angemerkt werden, daß ein solches Wachstum nicht auftritt, wenn der Zwischenfilm aus Nickel eine geschlossene Oberfläche bildet.

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Die Fehlanpassung zwischen Silber (mit einem Ätomabstand a = 0,408 nm) und Nickel (mit einem Atomabstand a = 0,352 nm). ist, sofern keine mechanische Spannung vorhanden ist, groß, und zwar ungefähr -16 %. Ist die mechanische Spannung da, ist die Fehlanpassung immer noch ungefähr 2/3 dieses Wertes. Es ist von daher gesehen klar, daß auch bei sehr kleinen Inseln eine vollständig kohärente Grenzfläche zwischen dem Silber und dem Nickel außerordentlich unwahrscheinlich ist. Unter normalen Aufwachsbedingungen, d.h. wenn ein geschlossener Film auf einem anderen kristallinen Material aufwächst, wird bei einer so großen Fehlanpassung das aufgewachsene Material dazu neigen, vollständig inkohärent zu sein. Dies wird tatsächlich auch festgestellt, wenn Silber auf einem geschlossenen kristallinen Nickelfilm niedergeschlagen wird. Erfolgt jedoch das Aufwachsen auf kleine ausgerichtete kristalline Inseln, welche dazu neigen, eine halbkugelförmige Gestalt zu haben, wird das elastische Spannungsfeld (verursacht durch das Bestreben des aufwachsenden Materials epitaxial und zusammenhängend aufzuwachsen) in dem aufwachsenden Material mit dem Abstand r von den Inseln gemäß der Funktion

1/r abnehmen. Das Folgende soll den Einfluß dieses Unterschiedes in der Form der Spannungsfelder auf die beiden Wachstumsarten illustrieren: wenn wir annehmen, daß an der Grenzfläche zwischen dem Nickel und dem Silber beim Vorliegen von Inseln mit einem Radius von 10 nm eine elastiche Spannung, d.h. eine Verbiegung - gemessen in prozentualen Änderungen der Gitterparameter - der Kristallgitter der beteiligten Materialien, von 2 % vorliegt, so wird diese Spannung an der Oberfläche einer 1 ym dicken Silberabscheidung auf den Inseln auf 2 · 10~ Prozent abfallen. Die elastische Spannung einer ähnlich dicken Silberabscheidung auf einer geschlossenen Nickelabscheidung würde 10 -mal größer sein als beim Süberabscheiden auf Inseln, oder, um es anders auszudrücken, man würde eine Silberabscheidung von 1 cm Dicke benötigen, um die elastische Spannung im selben Maße zu reduzieren.

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Die Tatsache, daß in dem um die Inseln herum aufgewachsenen Silber ein starker Gradient der elastischen Spannung vorhanden ist, hat zwei wichtige Auswirkungen. Zuerst und hauptsächlich kann eine höhere aufgezwungene Fehlanpassung als bei einer flachen Grenzfläche toleriert werden, und zwar deshalb, weil die Spannungsenergie in dem aufwachsenden Material geringer ist. Zweitens werden alle Defekte, welche während der Abscheidung des aufwachsenden Materials erzeugt werden, stark zu der Grenzfläche zwischen der Insel und dem aufwachsenden Material hingezogen werden. Wir haben die Wichtigkeit der Fehlanpassung an der Grenzfläche demonstriert, indem wir zeigten, daß die Defektdichte eines Nickelfilms, welcher auf Nickelinseln aufgewachsen worden war, höher war als die Defektdichte eines Silberfilms, welcher auf Nickelinseln aufgewachsen worden war.

Wir prüften die Qualität von Silberfilmen, welche auf einer Vielzahl von Nickelinseln aufgewachsen worden waren, wobei diese Nickelinseln unterschiedliche Bedeckungsdichten, Lagen und Formen hatten. Bei allen diesen Untersuchungen wurde das Verfahren der Transmissionselektronenmikroskopie angewandt. Dazu wurde der Silberfilm zusammen mit den Nickelinseln, auf welchen er aufgewachsen worden war, von dem Kochsalz getrennt, indem das letztere in Wasser auf übliche Art und Weise aufgelöst wurde. Bei einer Inseldichte von null sind die hauptsächlichsten Defekte im Silber Stapelfehler. Beil Vorliegen eines geschlossenen Nickelfilms ist das Silber polykristallin. Beim Vorliegen von Inseln mit einem Durchmesser von ungefähr 10 nm und einer Bedeckung im Bereich irgendwo zwischen etwa 5 und etwa 30 % ist die Defektdichte in dem aufgewachsenen Silber im Vergleich zu Silber, welches ohne Vorhandensein einer dazwischenliegenden Inselschicht aufgewachsen worden war, um einen Faktor bis zu 100 besser. Während dieser Untersuchung haben wir festgestellt, daß bei einer festgelegten Inseldichte die Defekt-

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dichte im Silber in solchen Bereichen höher war, in denen die Inseln größer waren und dazu neigten, ihre halbkugelförmige Gestalt zu verlieren und stattdessen mehr würfelförmig zu werden. In solch einem Fall wird das Spannungsfeld mit dem Abstand von der Grenzfläche langsamer abfallen, die Dichte von adsorbierten Silberatomen an den Inseln wird niedriger als erwünscht sein (preferred adatom site density on the islands for the silver), was - nebenbei bemerkt - dazu führt, daß die Silberkeimbildung und die Silberwachstumszentren mehr auf dem NaCl als auf dem Nickel entstehen, und die schärferen Ecken der Kristallflächen aufweisenden Inseln werden die Bildung von Versetzungen an solchen Punkten begünstigen. Wir haben auch gezeigt, daß die Nickelinseln sich auf dem NaCl, an welches sie schwach gebunden sind, bewegen können. Bei einer nicht kontinuierlichen Silberabscheidung blieben die Nickelinseln nicht willkürlich verteilt, wie sie es auf dem NaCl-Substrat vor der Süberabscheidung gewesen sind, sondern neigten dazu, an die Ränder der Süberanhäufungen gezogen zu werden. Die Beweglichkeit der Inseln ist wahrscheinlich sehr wichtig, um es möglich zu machen, daß Silberinseln, welche von unterschiedlichen Nickelinseln aus gewachsen sind, sich miteinander ohne die Bildung von Stapelfehlern vereinigen, und zwar auch dann, wenn sie so zusammentreffen, daß keine vollkommene Gitterentsprechung vorliegt.

Silberfilme, welche auf einem NaCl-Substrat aufgewachsen worden sind, dienen oft als Unterlage für das Aufwachsen von dünnen Goldfilmen. Gold und Silber haben sehr ähnliche Gitterparameter, so daß eine Goldschicht auf einer spannungsfreien Süberoberfläche praktisch in derselben Weise wie auf einer Goldschicht aufwachsen wird. J. W. Matthews beschreibt in dem Artikel "Preparation of Gold Films with Low Dislocation Densities" im Journal of Material Sciences 3, Seiten 448 und 449, 1968, das Abscheiden von Gold auf

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einer Silberkugel und wie sich eine solche Abscheidung von der Abscheidung von Gold auf einem an der Luft gespaltenen NaCl-Substrat unterscheidet. Entsprechend haben wir Goldfilme, welche ungefähr 100 nm dick waren, auf Silberfilmen aufgewachsen, welche, wie oben beschrieben worden ist, zum Teil die dazwischenliegenden Nickelinseln 12 aufwiesen und zum Teil auch nicht, wobei das Substrat Raumtemperatur hatte

-9 und in der Vakuumkammer ein Druck von 1o Torr herrschte.

Der in der Fig. 1 gezeigte Goldfilm 14, welcher, wie oben beschrieben worden ist, auf einem Silberfilm 13 aufgewachsen worden ist, welcher seinerseits auf Nickelinseln 12 abgeschieden worden ist, und andere Goldfilme wurden in Abhängigkeit von der Bedeckung des Substrats mit Nickel untersucht. Dazu wurde das NaCl-Substrat 10 durch Auflösen in Wasser und der Silberfilm 13 und die Nickelinseln 12 durch Auflösen in verdünnter Salpetersäure entfernt. Wir fanden, daß die Defektdichte in dem zurückbleibenden Goldfilm ganz ähnlich der Defektdichte in den zuvor geprüften und in derselben Weise vorbereiteten Silberfilmen war. Dort, wo keine Nickelinseln 12 unter dem Silberfilm vorhanden waren, hatte der auf dem Silberfilm gewachsene Goldfilm eine hohe Fehlerdichte und wo der Nickelfilm kontinuierlich gewesen war, war der Goldfilm ebenso wie der Silberfilm, auf welchem er aufgewachsen worden war, polykristallin. In Bereichen, welche eine niedrige Konzentration von Nickelinseln hatten, wiesen die Goldfilme wesentlich weniger Fehler auf. Die Defektdichte sowohl in den Silber- als auch in den Goldfilmen, unter welchen sich keine Nickelinseln befanden, lag bei ungefähr

10 2
1,5 · 10 /cm , während die Defektdichte bei den Filmen, welche auf Bereichen aufgewachsen worden waren, welche teilweise mit Nickelinseln bedeckt waren, wesentlich niedri-

8 2
ger, nämlich bei 1,5 · 10 /cm , lag. Die Figuren 2 und 3 !zeigen Beispiele von Mikrophotographien von Goldfilmen, welche ;in der beschriebenen Art und Weise aufgewachsen worden sind,

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und zwar im einen Fall auf ein Substrat, auf welchem sich Nickelinseln befanden, und im anderen Fall auf einem Substrat, welches keine solche Inseln aufwies.

Es wurde gezeigt, daß eine hundertfache Verbesserung der Filmqualität erreicht werden kann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von dünnen einkristallinen Filmen aus Silber oder Gold angewandt wird.

In den obigen Ausführungen werden die Prinzipien des Verfahrens beschrieben und ihre Bedeutung wird diskutiert. Diese Prinzipien lassen sich auch auf andere als die oben angegebenen Materialkombinationen anwenden, um Filme mit verbesserter Qualität unter Vermittlung einev aus Inseln bestehenden Keimschicht auf Substraten aufzuwachsen. Als vorteilhaft ist das Verfahren insbesondere für das epitaxiale Aufwachsen von GaAs auf Silicium, von GaP auf GaAs und von Si auf Al₃O₃ anzusehen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1_r Schichtstruktur, zu der ein einkristallines Substrat aus einem ersten Material, eine Zwischenschicht aus einem zweiten Material und eine darüber aufgebrachte kontinuierliche Epitaxieschicht aus einem dritten Material gehören, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine aus Inseln (12) bestehende dünne Schicht ist, wobei die Inseln (12) epitaxial zum Substrat ausgerichtet sind und die Gitterparameter des zweiten Materials sich.von den Gitterparametern des ersten und des dritten Materials beachtlich unterscheiden.
2. Schichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln (12) aus dem zweiten Material eine halbkugelförmige Gestalt haben und klein sind und schwach an das Substrat (10) gebunden sind.
3. Schichtstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht (13) aus dem dritten Material epitaxial eine Schicht (14) aus einem vierten Material abgeschieden ist.
4. Schichtstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus NaCl die Inseln (12) aus Nickel, die Schicht (13) aus Silber und die Schicht (14) aus Gold bestehen.
5. Schichtstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelinseln einen Durchmesser von <_ ungefähr 20 um haben, und ungefähr 5 bis 30 % der Fläche des Substrats bedecken, auf der die Schichten (12, 13, 14) aufgewachsen sind.

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6. Schichtstruktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (13) auf einer Fläche des NaCl aufgewachsen sind, welche senkrecht zur (100)-Richtung liegt.
7. Schichtstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberschicht (13) ungefähr 500 nm dick ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Fläche des Substrats (1O) aus einem ersten Material eine Schicht aus einem zweiten Material derart aufgewachsen wird, daß Inseln (12) entstehen und daß anschließend epitaxial eine kontinuierliche Schicht (13) aus einem dritten Material auf der dann vorliegenden Struktur abgeschieden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht (13) aus dem dritten Material noch eine Schicht (14) aus einem vierten Material abgeschieden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (12, 13, 14) durch Niederschlagen im Vakuum aufgebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

ein einkristalliner NaCl-Körper so in einem Vakuum von

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ungefähr 10 Torr gespalten wird, daß eine zur (100)-Richtung senkrecht liegende Ebene erhalten wird, daß anschließend auf das auf 250 ⁰C erwärmte Substrat (10) ohne Änderung des Drucks eine aus Inseln (12) bestehende

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Nickelschicht, darauf eine geschlossene Silberschicht (13) und gegebenenfalls eine geschlossene Goldschicht (14) aufgedampft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht (12) £ ungefähr 10 ran dick gemacht wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis

12, gekennzeichnet durch seine Verwendung beim epitaxialen Aufwachsen von Schichten auf Substrate in solchen Fällen, in denen eine Fehlanpassung der Gitterparameter zwischen dem Substrat und der aufzuwachsenden Schicht vorliegt, indem auf das Substrat zunächst eine aus Inseln bestehende Schicht aufgewachsen wird, welche aus einem Material besteht, dessen Gitterparameter eine Fehlanpassung gegenüber den Gitterparametern der aufzuwachsenden Schicht und des Substrats aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch seine Verwendung beim epitaxialen Aufwachsen von GaAs auf einkristallinem Silicium, von GaP auf einkristallinem GaAs und von Si auf einkristallinem Al₃O₃.

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