Epitaxie

Epitaxie (von griechisch epi - „auf“, „über“ und taxis im Sinne von „ordnen“ bzw. „ausrichten“) ist eine Form des Kristallwachstums, welche beim Aufwachsen von Kristallen auf kristallinen Substraten auftreten kann. Man spricht von Epitaxie, wenn mindestens eine kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls (der wachsenden Kristalle) einer Orientierung des kristallinen Substrates entspricht.

In natürlichen Prozessen funktioniert Epitaxie so, dass mehrere kleine Kristalle in räumlicher Entfernung voneinander auf einem großen Kristall aufwachsen. In technischen Prozessen sind die aufwachsenden Kristalle meist nicht räumlich voneinander getrennt, sondern bilden eine ununterbrochene Schicht. Abhängig davon, ob Substrat und aufwachsende Kristalle bzw. Schicht aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen, werden auch die Bezeichnungen Homo- beziehungsweise Heteroepitaxie verwendet.

Epitaxie in der Natur

Typische Form einer epitaxischen Verwachsung von Cumengeit (tetragonale Pyramiden) auf Boleit-Würfeln

In der Natur tritt Epitaxie als orientierte Verwachsung zweier Minerale auf. Es kann aber auch eine Verwachsung von ein und demselben Mineral sein (z. B. wie bei der Rutilvarietät Sagenit). Klassische Beispiele für Epitaxie bilden der Schriftgranit (Verwachsung von Quarz und Feldspat, wobei die Quarze an Schrift erinnern), die Verwachsungen von Rutil und Hämatit sowie die sternförmige Verwachsung von tetragonal-pyramidablem Cumengeit und würfeligem Boleit.

Epitaxie in der Technik

In der Technik findet die Epitaxie vor allem in der Mikroelektronik bzw. der Halbleitertechnik Verwendung. Ein Beispiel für homoepitaktische Schichten sind einkristalline Siliciumschichten auf einem Siliciumsubstrat. Auf diese Weise lassen sich spezielle Dotierprofile für Transistoren herstellen, beispielsweise ein abrupter Übergang in der Dotierstoffkonzentration, der mit üblichen Verfahren wie Diffusion und Ionenimplantation nicht möglich ist. Weiterhin sind die Epitaxie-Schichten weitaus reiner als übliche Czochralski-Siliciumsubstrate. Beispiele von Heteroepitaxie, also das Aufwachsen einer Schicht, dessen Material sich vom Substrat unterscheidet, sind Silicium auf Saphirsubstraten oder GaAs_1−xP_x-Schichten auf GaAs, beispielsweise leitfähige Schichten auf SOI-Substraten. Die entstehenden Schichten sind einkristallin, aber weisen ein Kristallgitter auf, das sich vom Substrat unterscheidet.

Epitaxieverfahren

Es gibt unterschiedliche technische Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten:

• Flüssigphasenepitaxie (liquid phase epitaxy, LPE)
• Spezielle Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD)
  • Chemische Gasphasenepitaxie (vapor phase epitaxie, VPE)
    • Hydridgasphasenepitaxie (hydrid vapor phase epitaxy, HVPE)
    • Metallorganische Gasphasenepitaxie (metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE)
  • Atomlagenepitaxie (atomic layer epitaxie, ALE)
• Spezielle Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD)
  • Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE)
  • Ionenstrahlgestützte Deposition (ion beam assisted deposition, IBAD)
• Mischformen^[1]
  • chemical beam epitaxy (CBE)
  • metal-organic molecular beam epitaxy (MOMBE)
  • gas source molecular beam epitaxy (GSMBE)

Beispiel: chemische Gasphasenepitaxie von Siliciumschichten

Die Herstellung von einkristallinen Siliciumschichten auf Siliciumsubstraten kann mithilfe der chemischen Gasphasenepitaxie erfolgen. Das Substrat wird in einer Vakuumkammer auf Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 1200 °C erhitzt. Für die Abscheidung werden gasförmige Siliciumverbindungen (wie Silan, Dichlorsilan oder Trichlorsilan) in Verbindung mit Wasserstoff eingebracht, die sich in Substratnähe thermisch zersetzen. Die „frei gewordenen“ Siliciumatome lagern sich zufällig verteilt auf der Substratoberfläche an und bilden Kristallisationskeime. An diesen Keimen findet anschließend das weitere Schichtwachstum statt. Aus energetischen Gründen findet das Wachsen in lateraler Richtung statt, bis die Ebene vollständig aufgefüllt ist, erst danach beginnt das Wachstum in der nächsten Ebene.^[2] Durch Zugabe einer gasförmigen Borverbindung (Diboran) können p-leitende Schichten bzw. durch eine Phosphorverbindung (Phosphin) oder durch eine Arsenverbindung (Arsin) n-leitende Siliciumschichten erzeugt werden.

Die Aufwachsraten in einem Epitaxiereaktor werden durch zwei Faktoren begrenzt. Anhand der Arrheniusdarstellung (die logarithmische Aufwachsrate wird über 1/(absolute Temperatur) dargestellt) lassen sich zwei Bereiche kennzeichnen:

• der reaktionsratenlimitierte Bereich, in dem zwar genug Atome für die Reaktion an der Oberfläche des Substrats bereitstehen, aber der Adsorptionsprozess zu langsam läuft, weil die Desorption des Wasserstoffs von der Siliciumoberfläche der begrenzende Prozess ist. Die Reaktion lässt sich durch eine erhöhte Temperatur beschleunigen, der Anstieg der Arrhenius-Kurve ist linear und steiler als im transportlimitierten Bereich.
• der transportlimitierte Bereich (bei höheren Temperaturen). Hier können nicht schnell genug neue Gasatome an die Reaktionsstelle diffundieren, die Gasdiffusion ist der begrenzende Prozess. Die Arrhenius-Kurve ist linear und relativ flach, das heißt, die Wachstumsrate ist nur schwach temperaturabhängig. Dadurch ist der Schichtwachstumsprozess relativ robust gegenüber Schwankungen der Substratoberflächentemperatur.

Siehe auch

• Allotaxie
• Schichtwachstum

Einzelnachweise