Epitaktisch

Epitaxie (v. griech. „epi“ - „auf“, „über“ und „taxis“ im Sinne von „ordnen“ bzw. „ausrichten“) ist eine Form des Kristallwachstums, bei welcher die kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls (der wachsenden Kristalle) derjenigen eines anderen Kristalls entspricht, auf dem der wachsende Kristall aufwächst. 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

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). Ein klassisches Beispiel für Epitaxie bilden der Schriftgranit (Verwachsung von Quarz und Feldspat, wobei die Quarze an Schrift erinnern) und die Verwachsungen von Rutil und Hämatit.

Epitaxie in der Technik

Es gibt unterschiedliche technische Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten:

• Flüssigphasenepitaxie (LPE – liquid phase epitaxy)
• Molekularstrahlepitaxie (MBE – molecular beam epitaxy)
• Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE – metal organic vapor phase epitaxy)
• Chemische Gasphasenepitaxie (CVD – chemical vapour deposition; auch VPE – Vapor-Phase-Epitaxie genannt)
• Physikalische Gasphasenepitaxie (PVD)
• Ionenstrahlgestützte Deposition (IBAD)

Ein Beispiel für die Herstellung epitaktischer Schichten sind Silicium-Schichten, die in der Mikroelektronik als Funktionsbereiche in integrierten Schaltungen dienen. Beim CVD-Verfahren werden bei Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 1200 °C aus gasförmigen Siliciumverbindungen (Silan - SiH₄, Dichlorsilan - SiH₂Cl₂, Trichlorsilan - SiHCl₃) und Wasserstoff feste Siliciumschichten abgeschieden, die auf einkristallinen Siliciumsubstraten ebenfalls einkristallin und mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufwachsen. Durch Zugabe einer gasförmigen Borverbindung (Diboran - B₂H₆) können p-leitende Schichten bzw. durch eine Phosphorverbindung (Phosphin - PH₃) oder durch eine Arsenverbindung (Arsin - AsH₃) können n-leitende Siliciumschichten erzeugt werden. Unter Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, hochohmige (also schwach elektrisch leitende) Epitaxieschichten auf niederohmigen Halbleitersubstraten aufzubringen. 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 bereit stehen, aber der Prozess des Anlagerns zu langsam läuft, weil die Desorption des Wasserstoffs von der Si-Oberfläche 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 Waferoberflächentemperatur.

Weblinks

• epitaxy.net: ein zentrales, nicht-kommerzielles Forum rund um die Epitaxie, u.a. mit einer umfangreichen Linkliste und einer Weltkarte mit Standorten von Epitaxieanlagen.

Siehe auch

• Allotaxie
• Schichtwachstum