專利名稱：球狀晶體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及球狀晶體的制造方法，尤其涉及金屬、非金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性體、超導(dǎo)體等球狀晶體的制造方法。球狀晶體可通過(guò)藉熔融液的表面張力作用使晶體生長(zhǎng)成球狀的方法來(lái)制造，但此球狀晶體由于其外形具有反映其球狀結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而容易產(chǎn)生一種在晶體內(nèi)部整體范圍內(nèi)原子排列完全未紊亂且缺陷很少的單晶。尤其在處于重力影響很小的環(huán)境下，不僅成為受到熔融液表面張力支配而接近于更為圓滿球形的球狀單晶，而且無(wú)浮力作用，因而即使有溫度差，亦不會(huì)發(fā)生熱對(duì)流，不會(huì)擾亂晶體生長(zhǎng)。再者，兩種以上元素所構(gòu)成的晶體生長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生組成成分的比重差所引起的偏析等，可以得到均勻組成的結(jié)晶性良好的球狀單晶。這類高品質(zhì)球狀晶體在應(yīng)用晶體的工業(yè)領(lǐng)域中顯示有極有希望的未來(lái)，可將該球狀晶體直接應(yīng)用于電子器件、光學(xué)元件、功能元件等。
背景技術(shù)：
以往，半導(dǎo)體等單晶大多形成為棒狀、板狀、薄膜狀，沒(méi)有一開(kāi)始就生長(zhǎng)球狀晶體的情況。尤其是在板狀或棒狀晶體基材上局部生長(zhǎng)球狀晶體的技術(shù)根本無(wú)人提出過(guò)。
關(guān)于半導(dǎo)體單晶的生長(zhǎng)技術(shù)迄今已知有三種技術(shù)從熔融液生長(zhǎng)成晶體的方法，從含有溶劑的溶液當(dāng)中使晶體生長(zhǎng)的方法，以及利用化學(xué)手段從氣相沉積的方法。
上述從熔融液生長(zhǎng)單晶或晶體的技術(shù)中，往往如下這樣進(jìn)行將整個(gè)材料置于坩堝、安瓿等容器內(nèi)，用高頻加熱或電阻加熱的電爐加熱熔融該材料，使籽單晶與熔融液接觸，在施加旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將它拉上來(lái)，使之固化生長(zhǎng)(CZ法)。
再者，不使用坩堝的浮游帶域熔融法(FZ法)也是現(xiàn)行的成功的單晶生長(zhǎng)方法之一，在此單晶生長(zhǎng)方法中，熔融液在棒狀籽晶與多晶之間形成熔融帶域，其在表面張力的保持下往多晶所在的方向移動(dòng)，形成為單晶。但依照該生長(zhǎng)方法來(lái)形成穩(wěn)定浮游帶僅限于表面張力大但密度小的物質(zhì)。
關(guān)于不用電爐而用激光作為加熱源的單晶制造技術(shù)，眾所周知是使尖晶石(MgAl2O4)等高熔點(diǎn)材料熔融，從其熔融液培育單晶的方法；使非晶形硅薄膜在硅晶片上熔融得到薄膜晶體的方法等。但利用激光等加熱用射束使半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性體、超導(dǎo)體、金屬等材料熔融，直接制造球狀晶體的技術(shù)尚未為人所知。
以往，雖然有人嘗試過(guò)微重力條件下半導(dǎo)體或某種合金的晶體生長(zhǎng)，亦已知微重力條件下偶然發(fā)生熔融液漏出而固化成球狀晶體的事實(shí)，但刻意生長(zhǎng)球狀晶體的方法卻根本無(wú)人提出過(guò)。況且，關(guān)于使晶體從熔融液生長(zhǎng)成球狀的想法也根本無(wú)人提出過(guò)，而對(duì)于實(shí)際應(yīng)用球狀晶體的電子器件本身亦無(wú)任何提議。因此，本發(fā)明的發(fā)明人著眼于將球狀晶體應(yīng)用于電子器件或光學(xué)元件時(shí)的各種前景，但若要利用公知技術(shù)來(lái)制造球狀晶體則必需機(jī)械研磨或化學(xué)蝕刻晶體，否則無(wú)法制造球狀晶體。
以下說(shuō)明本發(fā)明所要解決的問(wèn)題。
將材料置于坩堝等容器內(nèi)熔融、通過(guò)固化使晶體生長(zhǎng)的公知方法，有時(shí)熔融材料與容器材料發(fā)生反應(yīng)，致使容器雜質(zhì)熔于其內(nèi)，難于實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)品晶體生長(zhǎng)。況且，在容器內(nèi)固化時(shí)，容易發(fā)生因與容器內(nèi)壁接觸，引起不均質(zhì)核生成，和冷卻條件不均勻引起晶體內(nèi)部畸變，極難實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷晶體生長(zhǎng)。再者，現(xiàn)有方法目的在于將材料置于容器內(nèi)熔融、固化這種整塊生長(zhǎng)，因此不可能實(shí)現(xiàn)在特定的有限部位上自由生長(zhǎng)有限大小或有限數(shù)量的球狀單晶。例如使電子器件或光學(xué)元件用的球狀晶體形成于晶體基材的一部分上是根本無(wú)法做到的。再者，靠現(xiàn)有的使塊狀材料熔融從籽晶一端固化的方法所制成的單晶由于形成棒狀或板狀而不具有球的三維對(duì)稱性，容易發(fā)生晶體內(nèi)原子排列的紊亂或熱應(yīng)變所引起的缺陷等。
在此可考慮失重或微重力條件下熔融固化使球狀晶體生長(zhǎng)的可能性，但現(xiàn)有方法用電爐或紅外線燈等加熱裝置，因此其加熱、熔融、固化時(shí)間很長(zhǎng)，無(wú)法應(yīng)用于微小時(shí)間內(nèi)(如自由落體失重實(shí)驗(yàn)裝置10秒鐘以內(nèi)程度)的晶體生長(zhǎng)，限于宇宙失重條件下的晶體生長(zhǎng)，因而球狀晶體生長(zhǎng)的成本變得很高。
因此，本案申請(qǐng)人在前案特愿平5-284499提出一種制造球狀晶體的方法，其如圖24(a)所示在金屬或金屬氯化物或非金屬材料所制成的晶體基材100上以可自其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料之晶體所制成的細(xì)徑突起部101，接下來(lái)如圖24(b)、24(c)所示，藉加熱用射束102加熱該突起部101至少一部分，以利用表面張力作用使之固化成球狀晶體。而且進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)藉以確立球狀晶體的制造技術(shù)。
但后來(lái)證實(shí)有時(shí)發(fā)生下述情況即如圖24(c)所示，由于突起部101與熔融液103屬同一材料，可濕性很高，因而使熔融液103沿著未熔化突起部分101a的表面爬行流動(dòng)，熔融液103的形狀并不成為球狀，而是細(xì)長(zhǎng)變形固化的，因而無(wú)法形成大約球狀的球狀晶體。尤其在熔融液自重(體積×密度×重力加速度)很大而易于發(fā)生馬朗哥尼對(duì)流的場(chǎng)合，晶體形狀容易崩潰。
在利用激光束加熱的場(chǎng)合，由于其加熱限于局部，基于熱傳導(dǎo)的冷卻速度很高，可在短時(shí)間內(nèi)固化，因此球狀的崩潰可能性較小，但在利用紅外線射束加熱的場(chǎng)合，由于能量密度較低進(jìn)而升溫速度低，熔融液沿著未溶化突起部分表面流動(dòng)的傾向很高，晶體形狀易于崩潰。
再者，在上述球狀晶體固化時(shí)，由于從未熔化突起部分那一方開(kāi)始固化(晶化)，在采用純度不高的低廉晶體作為構(gòu)成有上述突起部的晶體的場(chǎng)合，晶體中的雜質(zhì)集積于球狀晶體的表面部分，因此發(fā)生其難于形成高純度晶體構(gòu)成的球狀晶體的問(wèn)題。
本發(fā)明目的在于提供一種可將無(wú)內(nèi)部畸變或晶體缺陷的、晶體構(gòu)造上具有格外優(yōu)異形狀且完整(不崩潰)的球狀晶體簡(jiǎn)單形成于晶體基材上的方法，暨一種可減少球狀晶體中的雜質(zhì)和晶體缺陷，將形狀完整(不崩潰)的高品質(zhì)球狀晶體簡(jiǎn)單形成于晶體基材上的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明(權(quán)項(xiàng)1)為一種球狀晶體的制造方法，包括第一步驟，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材上以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料制成的晶體構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在該突起部中比較離開(kāi)前端的基部的外表面上整面形成一流動(dòng)控制被膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部的晶體的熔點(diǎn)；第三步驟，以加熱用射束照射上述突起部前端，使突起部中比流動(dòng)控制被膜靠進(jìn)前端一側(cè)的部分熔融；以及第四步驟，停止加熱用射束對(duì)該突起部的照射，以利用表面張力作用和流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使熔融部分固化成大約球狀的球狀晶體。但與晶體基材相同晶體的突起部使之與晶體基材一體形成亦可，或與晶體基材相同或不相同的晶體使之固著于晶體基材表面亦可。
再者，在第一步驟中亦可以在半導(dǎo)體晶體基材上形成從其表面一體突出的細(xì)徑突起部(權(quán)項(xiàng)2)，或在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面突出的方式形成由半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的細(xì)徑突起部(權(quán)項(xiàng)3)亦可。
在本發(fā)明中，如圖1(a)、圖2(a)所示，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材10上以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部11。其次，如圖1(b)、圖2(b)所示，在突起部11中比較離開(kāi)前端的基部11a的外表面上整面形成一流動(dòng)控制膜12，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部11的晶體的熔點(diǎn)。其次，如圖1(c)、圖2(c)所示，以加熱用射束13照射突起部11的前端，使突起部11中比流動(dòng)控制膜12靠近前端一側(cè)的部分熔融。其次，如圖1(d)、圖2(d)所示，停止該加熱用射束13對(duì)該突起部11的照射，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制膜12的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分11b固化成大約球狀的球狀晶體14。
作為上述金屬材料可應(yīng)用單質(zhì)金屬或各種合金金屬。作為金屬或金屬氧化物或非金屬材料，尤其可應(yīng)用各種半導(dǎo)體、各種電介質(zhì)、各種磁性體、各種超導(dǎo)體等材料。
由上述金屬或金屬氧化物或非金屬材料晶體所形成的突起部由單晶晶體或單晶以外的多晶晶體所構(gòu)成，作為加熱用射束可應(yīng)用激光，聚光的紅外線射束，電子束等各種高能量密度的加熱用射束。
用激光作為上述加熱用射束的場(chǎng)合，由于激光的能量密度高，可縮至微小的直徑，因此適于熔融粗度微小(數(shù)10μm～數(shù)100μm量級(jí))的突起部。預(yù)先按列狀形成多個(gè)突起部，使激光掃描該列狀突起部的前端，可在瞬間性短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)行第三步驟和第四步驟。尤其可應(yīng)用于自由下落式微重力實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)或拋物線飛行中的飛機(jī)內(nèi)制造球狀晶體的場(chǎng)合，微重力條件下晶體生長(zhǎng)在降低成本方面非常有利。
再者，在應(yīng)用激光的場(chǎng)合，幾乎未對(duì)應(yīng)熔化部分以外部分加熱，可以僅僅加熱熔化應(yīng)熔化部分，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光輸出和掃描速度，適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)熱量，還可對(duì)僅僅是指定部分，如突起部的一部分或突起部全部等，進(jìn)行高效率加熱，此外，還可以根據(jù)需要預(yù)先使摻雜用或形成混晶用的不同種元素附著于突起部前端，與突起部一起熔融，固化成球狀晶體。
上述流動(dòng)控制膜是熔點(diǎn)比構(gòu)成突起部的晶體高的被膜，可由各種金屬氧化物或金屬氮化物等被膜來(lái)構(gòu)成，不過(guò)設(shè)置上述流動(dòng)控制膜的目的在于控制突起部熔融部分沿著未熔融部分表面的流動(dòng)，因此流動(dòng)控制膜最好用較低可濕性(相對(duì)于構(gòu)成突起部材料其熔融液的可濕性)的高熔點(diǎn)材料來(lái)構(gòu)成。
形成此流動(dòng)控制膜的場(chǎng)合，可通過(guò)利用例如化學(xué)氣相蒸鍍(CVD)等方法在晶體基材突起部的表面上整面形成高熔點(diǎn)被膜后，靠蝕刻處理等方法除去突起部除基端部以外部分的被膜來(lái)形成。圖1、圖2場(chǎng)合在晶體基材表面也形成有流動(dòng)控制膜，不過(guò)省略晶體基材表面的流動(dòng)控制膜亦可。
靠表面張力作用和該流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用固化成大致球狀的球狀晶體，突起部需要表面張力作用起支配性作用而形成為細(xì)小粗度。突起部的粗度例如為數(shù)mm以下，而半導(dǎo)體等情況有時(shí)也設(shè)定為數(shù)100μm。但突起部的斷面形狀并不限于圓形，亦可以形成矩形、正方形等各種形狀。以加熱用射束在短時(shí)間內(nèi)或瞬間照射細(xì)小突起部的前端，可使突起部中比流動(dòng)控制膜靠近前端一部分熔融。
加熱用射束熔融的部分靠其熔融液表面張力的作用和該流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用，形狀完整地形成大致球形，其表面變成自由表面。其后，停止照射加熱用射束時(shí)，突起部的熔融部分主要由于晶體基材透過(guò)突起部所發(fā)生的吸熱作用，在保持球狀的情況下迅速固化成為球狀晶體。此時(shí)，以與熔融液接觸但未熔融部分的籽晶為核心生長(zhǎng)時(shí)，晶體具有方向性，但晶體生長(zhǎng)的核心位于固相與液相的交界面，在籽晶一側(cè)急速進(jìn)行固化潛熱的流出，因此從籽晶一側(cè)迅速進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。再者，晶體從籽晶一側(cè)生長(zhǎng)時(shí)，球狀部的中心部先于其外周一側(cè)優(yōu)先進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，單晶從球狀部的中心部往外周一側(cè)生長(zhǎng)，并進(jìn)行固化。尤其根據(jù)需要將環(huán)境溫度設(shè)定得較高，可抑制熔融液從外周一側(cè)放熱。這樣，晶體生長(zhǎng)從球狀部的中心部向外周一側(cè)進(jìn)行，而且，晶體生長(zhǎng)方向的溫度梯度較陡，不容易造成組成過(guò)冷等所引起的晶體生長(zhǎng)面上的紊亂，因而球狀晶體不容易發(fā)生內(nèi)部畸變和晶體缺陷。
而且熔化部分，靠表面張力作用及流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用，在保持大致球狀的情況下固化，因而晶體生長(zhǎng)還靠球面對(duì)稱性，球?qū)ΨQ地進(jìn)行，故而球狀晶體的內(nèi)部構(gòu)造亦成為球?qū)ΨQ性構(gòu)造，不會(huì)發(fā)生原子排列的紊亂，球狀晶體表面變成密勒指數(shù)一定的晶面，而成為幾乎無(wú)晶體缺陷的理想單晶，尤其不會(huì)發(fā)生利用機(jī)械性或化學(xué)性處理形成球狀時(shí)所發(fā)生的損傷或加工應(yīng)變，可使球狀晶體的表面成為理想的球狀鏡面。但在突起部含有雜質(zhì)的場(chǎng)合下，該雜質(zhì)就偏析至球狀晶體的表面。
這樣便可以藉加熱用射束熔融，然后固化在晶體基材上，很簡(jiǎn)單地形成由單晶或基本上單晶所構(gòu)成的球狀晶體。尤其與對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行機(jī)械性或化學(xué)性加工處理來(lái)制造球狀晶體的場(chǎng)合相比較，可格外簡(jiǎn)單、低廉地形成球狀晶體。
上述球狀晶體表面成為理想的球狀鏡面，故難以發(fā)生晶體表面所容易發(fā)生的缺陷，并且對(duì)球狀晶體熱處理的場(chǎng)合，其表面不容易誘發(fā)氧化膜不均勻熱膨脹差所引起的應(yīng)力，因而不太會(huì)象半導(dǎo)體晶片那樣發(fā)生熱應(yīng)變。
再者，在使突起部至少一部分熔融結(jié)晶化時(shí)，熔融液僅與作為籽晶的突起部晶體和流動(dòng)控制膜接觸，因此可形成高品質(zhì)的球狀晶體，同時(shí)不會(huì)發(fā)生如下所述在坩堝等容器內(nèi)使晶體生長(zhǎng)場(chǎng)合所發(fā)生的情況有雜質(zhì)從外部混入，或容器的吸熱不均勻造成溶融液的熱對(duì)流或生長(zhǎng)核發(fā)生不規(guī)則，而導(dǎo)致多晶化，或由于容器與生長(zhǎng)晶體間的熱應(yīng)變，產(chǎn)生晶體缺陷。又由于從籽晶一側(cè)吸熱的同時(shí)使熔融液結(jié)晶化，在生長(zhǎng)核被籽晶限定下迅速進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，亦難于發(fā)生組成上的過(guò)冷現(xiàn)象，而成為高品質(zhì)的球狀晶體。此外，由于如上述利用熔融液表面張力作用及流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用在保持大致球狀的狀態(tài)下晶化，可形成一定形狀的球狀晶體。
最后要補(bǔ)充的是，應(yīng)用硅等半導(dǎo)體單晶突起部的話，可形成半導(dǎo)體單晶的球狀晶體，而應(yīng)用電介質(zhì)突起部的話，可形成電介質(zhì)的球狀晶體，再者，應(yīng)用磁性體突起部的話，則可形成磁性體的球狀晶體，而應(yīng)用超導(dǎo)體突起部則可形成超導(dǎo)體的球狀晶體。
如圖1所示，在半導(dǎo)體晶體基材上一體形成突起部的場(chǎng)合，可以在與半導(dǎo)體晶體基材形成一體的突起部的基端部前端形成半導(dǎo)體單晶或大致為單晶的球狀晶體。另如圖2所示，在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面部突出的方式粘接或接合設(shè)置由半導(dǎo)體晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部的場(chǎng)合，也可以例如將規(guī)定厚度的半導(dǎo)體晶體全面粘著在晶體基材表面，然后加工該半導(dǎo)體晶體以形成矩陣狀排列的數(shù)個(gè)突起部，其中半導(dǎo)體晶體基材為單晶基材或單晶以外的多晶基材均可，突起部由半導(dǎo)體晶體所構(gòu)成，因而可形成半導(dǎo)體單晶或基本上單晶的球狀晶體。
本發(fā)明(權(quán)項(xiàng)4)為一種球狀晶體的制造方法，包括第一步驟，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材上以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料制成的晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在該晶體基材突起部一側(cè)表面上形成一流動(dòng)控制膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部的晶體的熔點(diǎn)；第三步驟，以加熱用射束照射該突起部前端，使突起部全部熔融；以及第四步驟，停止該加熱用射束對(duì)該突起部的照射，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。但與晶體基材相同晶體的突起部使之與晶體基材一體形成亦可，或?qū)⑴c晶體基材相同或不相同的晶體固著于晶體基材的表面亦可。
在第一步驟中，在半導(dǎo)體晶體基材上形成從其表面一體突出的細(xì)徑突起部亦可(權(quán)項(xiàng)5)，或在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面突起的方式設(shè)置由半導(dǎo)體晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部亦可(權(quán)項(xiàng)6)。
本發(fā)明中，如圖3(a)、圖4(a)所示，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材20上以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料材料晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部21。接下來(lái)如圖3(b)、圖4(b)所示，在晶體基材20突起部一側(cè)表面上形成一流動(dòng)控制膜22，此膜熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部21的晶體的熔點(diǎn)。接下來(lái)如圖3(c)、圖4(c)所示，以加熱用射束23照射突起部11的前端，使突起部21全部熔融。接下來(lái)，如圖3(d)、圖4(d)所示，停止加熱用射束23對(duì)該突起部21的照射，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制膜22的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分21b固化成大致球狀的球狀晶體24。本發(fā)明中，可以在晶體基材表面部形成與上述相同的球狀晶體。
如圖3所示，在半導(dǎo)體晶體基材上形成從其表面部一體突出的細(xì)徑突起部的場(chǎng)合，可以在半導(dǎo)體晶體基材表面上形成半導(dǎo)體單晶或基本上單晶的球狀晶體。此球狀晶體與前述球狀晶體同樣，無(wú)內(nèi)部畸變，球狀晶體的內(nèi)部構(gòu)造亦成為球?qū)ΨQ性構(gòu)造，不會(huì)發(fā)生原子排列的紊亂，球狀晶體的表面成為密勒指數(shù)一定的晶面，成為幾乎無(wú)晶體缺陷的理想晶體。
另如圖4所示，在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面部突出的方式粘著或接合設(shè)置由導(dǎo)體晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部的場(chǎng)合，該半導(dǎo)體晶體基材為單晶基材或單晶以外的多晶基材均可。突起部由半導(dǎo)體晶體所構(gòu)成，因而與前述同樣生長(zhǎng)成半導(dǎo)體單晶或基本上單晶的球狀晶體。
用純度不高的金屬級(jí)半導(dǎo)體多晶基材作為半導(dǎo)體晶體基材或突起部的場(chǎng)合(權(quán)項(xiàng)7)，可大幅減低晶體基材或突起部的材料成本。但在晶體基材上一體形成突起部的場(chǎng)合則成為純度不高的半導(dǎo)體球狀晶體，不過(guò)如后所述，亦有可能除去球狀晶體中的雜質(zhì)，因此不會(huì)成為實(shí)施上的障礙。
用半導(dǎo)體單晶基材作為半導(dǎo)體晶體基材的場(chǎng)合(權(quán)項(xiàng)8)，在晶體基材一體形成突起部的話，構(gòu)成突起部的晶體亦成為半導(dǎo)體單晶，進(jìn)而可形成半導(dǎo)體單晶的球狀晶體。
用半導(dǎo)體單晶作為構(gòu)成與晶體基材并非一體的突起部的半導(dǎo)體晶體的場(chǎng)合(權(quán)項(xiàng)9)，可形成半導(dǎo)體單晶的球狀晶體。
至少第四步驟在失重或微重力條件下進(jìn)行的場(chǎng)合(權(quán)項(xiàng)10)，由于對(duì)熔化部分起作用的重力影響幾乎全部消失，故而可以利用表面張力作用和流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用，形成幾乎完全球狀的球狀晶體，而且可忽略重力引起的對(duì)流，可提高球狀晶體的品質(zhì)。再者，即使在利用多種有比重差的物質(zhì)形成混晶或化合物的球狀晶體的場(chǎng)合，由于沒(méi)有比重差所引起的分離、沉降、浮力，因此也可以生長(zhǎng)為均勻組成的單晶。
球狀晶體固化時(shí)，從未熔化晶體(構(gòu)成突起部的晶體或構(gòu)成晶體基材的晶體)開(kāi)始，晶體一面生長(zhǎng)，一面從球狀熔融液中心一側(cè)向表面固化，由于偏析作用使雜質(zhì)聚集于球狀晶體的表面部分，該第四步驟之后，進(jìn)行第5步驟(權(quán)項(xiàng)11)即對(duì)固化的球狀晶體表面進(jìn)行蝕刻處理以除去聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)時(shí)，可除去其聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)。
再者，將下述步驟，即對(duì)固化的球狀晶體的表面進(jìn)行蝕刻處理以除去聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)的第五步驟以及使該第5步驟除去雜質(zhì)后的球狀晶體再熔融后使之固化再結(jié)晶成球狀的第六步驟，重復(fù)進(jìn)行多次(權(quán)項(xiàng)12)時(shí)，由上述說(shuō)明亦可得知，藉第五步驟可除去聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)，而藉第6步驟可將雜質(zhì)聚集于球狀晶體的表面，因此重復(fù)第五步驟及第六步驟多次時(shí)可通過(guò)重復(fù)次數(shù)來(lái)提高球狀晶體的純度。這樣，便可提高球狀晶體的純度，就有可能應(yīng)用純度不高但極低廉晶體作為構(gòu)成突起部的晶體。再者，在突起部與晶體基材一體形成的場(chǎng)合由于有可能應(yīng)用純度不高但極低廉晶體為晶體基材而特別有利。
再者，為了減少固化球狀晶體的內(nèi)部應(yīng)力和晶格缺陷而對(duì)球狀晶體進(jìn)行退火處理(權(quán)項(xiàng)13)時(shí)，可提高球狀晶體的性能。
再者，除去固化球狀晶體表面的氧化被膜后再在該球狀晶體表面上形成新氧化被膜，接著對(duì)球狀晶體進(jìn)行熱處理，將球狀晶體中的雜質(zhì)吸收到氧化被膜內(nèi)(權(quán)項(xiàng)14)時(shí)，由于擴(kuò)散系數(shù)較大的元素(例如硅晶體中的Au、Ag、Cu等)在受到促進(jìn)擴(kuò)散的加熱處理的場(chǎng)合有被吸收到氧化被膜內(nèi)的性質(zhì)，可如上述提高球狀晶體的純度，改進(jìn)電子光學(xué)特性。
再者，除去固化球狀晶體表面上的氧化被膜，然后在該球狀晶體表面上形成新氧化被膜，其次對(duì)球狀晶體進(jìn)行熱處理，將球狀晶體中的雜質(zhì)吸收到氧化被膜內(nèi)(權(quán)項(xiàng)15)時(shí)，由于有時(shí)發(fā)生無(wú)法完全除去如上所述擴(kuò)散系數(shù)較大元素的情況，因而可以與權(quán)項(xiàng)14同樣除去擴(kuò)散系數(shù)較大元素，充分提高球狀晶體的純度。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1(a)～(d)是使晶體基材與突起部一體形成，用突起部的一部分形成球狀晶體時(shí)的四個(gè)步驟的概念說(shuō)明圖。
圖2(a)～(d)是使突起部固著于晶體基材上，用突起部的一部分形成球狀晶體時(shí)的四個(gè)步驟的概念說(shuō)明圖。
圖3(a)～(d)是使晶體基材與突起部一體形成，用突起部全部形成球狀晶體時(shí)的四個(gè)步驟的概念說(shuō)明圖。
圖4(a)～(d)是使突起部固著于晶體基材上，用突起部全部形成球狀晶體時(shí)的四個(gè)步驟的概念說(shuō)明圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的晶體基板和突起部的平面圖。
圖6是圖5沿VI-VI線的剖面圖。
圖7是形成有硅氧化被膜狀態(tài)的剖面圖。
圖8是形成有流動(dòng)控制膜狀態(tài)的剖面圖。
圖9是具有25個(gè)球狀晶體的球狀晶體陣列的平面圖。
圖10是圖9沿X-X線的剖面圖。
圖11是本發(fā)明實(shí)施例2的晶體基板和突起部的平面圖。
圖12是圖11的晶體基板和突起部以及硅氧化被膜的剖面圖。
圖13是圖11的晶體基板和突起部以及流動(dòng)控制膜的平面圖。
圖14是圖13沿XIV-XIV的剖面圖。
圖15是形成于圖11的晶體基板上的球狀晶體陣列的平面圖。
圖16是圖15沿XVI-XVI線的剖面圖。
圖17是實(shí)施例3的晶體基板和突起部以及流動(dòng)控制膜的剖面圖。
圖18是實(shí)施例8的晶體基板的剖面圖。
圖19是圖18的晶體基板和突起部的剖面圖。
圖20是實(shí)施例9的晶體基板和突起部以及流動(dòng)控制膜的剖面圖。
圖21是形成于圖20的晶體基材上的球狀晶體陣列的剖面圖。
圖22是變型例的晶體基板和突起部的平面圖。
圖23是由圖22所示部分制成的晶體基板和球狀晶體的平面圖。
圖24(a)是現(xiàn)有技術(shù)的晶體基材和突起部a剖面圖，圖24(b)是該晶體基材和球狀熔融液的剖面圖，圖24(c)是該晶體基材和球狀熔融液的剖面圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式以下，參照


本發(fā)明實(shí)施例。
實(shí)施例1……參照?qǐng)D5～10首先，在第一步驟中準(zhǔn)備一硅單晶制成的正方形板狀晶體基板30(此相當(dāng)于晶體基材)，它具有厚度2.0mm，主面具有(111)面取向的晶體基板30。
接下來(lái)在第二步驟中如圖5、圖6所示，用金剛石復(fù)式鋸條沿著此晶體基板30主面的X、Y方向形成各具深度1.0mm及寬度0.5mm的溝槽31各6條，藉此在晶體基板30除外緣部以外部分形成5行5列矩陣狀、由硅單晶構(gòu)成的角柱狀突起部32。各突起部32具有前端面0.25mm×0.25mm和高度1.0mm，而各突起部32其根部一體連接在原來(lái)硅單晶制成的晶體基板30上。
接下來(lái)，在第三步驟中，對(duì)上述晶體基板30突起部32一側(cè)的表面利用公知技術(shù)方法進(jìn)行輕度的蝕刻處理，以除去上述鋸條所加工表面存在的加工變質(zhì)層。在此場(chǎng)合利用氫氟酸與硝酸的混合酸經(jīng)過(guò)水稀釋所得的蝕刻液來(lái)進(jìn)行蝕刻處理。
接下來(lái)，在第四步驟中，將上述具有突起部32的晶體基板30置于熱氧化爐內(nèi)，在1000℃的溫度下，氧化處理規(guī)定時(shí)間，如圖7所示，在具有突起部32的晶體基板30的整個(gè)表面上形成厚度0.5～1.0μm的SiO2構(gòu)成的硅氧化被膜33。此硅氧化被膜33的熔點(diǎn)高于硅單晶熔點(diǎn)，而很少發(fā)生因熱變質(zhì)或與熔融的硅起化學(xué)反應(yīng)這些情況，且對(duì)熔融的硅顯示較低的可濕性。
還有，上述硅氧化被膜33并非必需形成在晶體基材30的整個(gè)表面上，至少形成于突起部32一側(cè)整個(gè)表面上就行。
接下來(lái)，在第五步驟中如圖8所示，將各突起部32前端一側(cè)的前端側(cè)部分32b(長(zhǎng)度約0.8mm)，即比距前端0.8mm的基部32a(長(zhǎng)度約0.2mm)更靠近前端一側(cè)的部分，其整個(gè)表面上的硅氧化被膜33除去，在各突起部32除基部32a之外的表面上整面形成由上述硅氧化被膜33構(gòu)成的流動(dòng)控制膜33a。除去上述硅氧化被膜33一部分的場(chǎng)合，在晶體基板30的溝槽31底面被覆有厚度約0.2mm的光刻膠的狀態(tài)下用稀氟酸等進(jìn)行蝕刻處理，除去硅氧化被膜33。
上述流動(dòng)控制膜33a設(shè)置的目的在于下一步驟突起部32的前端一側(cè)部分32b熔融時(shí)，用以控制其硅單晶熔融液沿著突起部32基部32a表面的流動(dòng)。
接下來(lái)，在第六步驟中準(zhǔn)備一種產(chǎn)生激光用作加熱用射束的二氧化碳激光裝置，以熔融形成于上述晶體基板30上的多個(gè)突起部32的前端側(cè)部分32b。此二氧化碳激光裝置激光的振蕩波長(zhǎng)為10.6μm，二氧化碳激光裝置的輸出為30瓦特，脈沖重復(fù)頻率為5KHz，并利用聚光透鏡使激光射束直徑縮小至0.1mm量級(jí)，進(jìn)行照射。照射時(shí)的氣氛為空氣，晶體基板30的溫度利用電阻加熱使之預(yù)熱，在激光正要照射時(shí)達(dá)到約127℃。
其次，在第七步驟中，將上述具有突起部32的晶體基板30在突起部32的前端面32c朝下方的狀態(tài)下安裝在可X，Y方向上二維移動(dòng)的托架上，使晶體基板30在X方向上按0.5mm/s的速度移動(dòng)，對(duì)于一列5個(gè)突起部32的前端面32c使激光逐行X方向掃描后在Y方向上移動(dòng)1間距，以此方式重覆，對(duì)各列突起部32的前端面32c垂直地依次掃描激光。這種激光照射的同時(shí)，所照射突起部32的前端一側(cè)部分32b熔化，該熔化熔融液靠表面張力作用和流動(dòng)控制膜33a的流動(dòng)控制作用在保持球形的狀態(tài)下增加體積，生長(zhǎng)成為球狀，當(dāng)除去激光時(shí)，瞬間固化成與突起部32相同的硅單晶所構(gòu)成的球狀晶體34。該球狀晶體34如9、圖10所示，一體生長(zhǎng)成用作籽晶的突起部32基部32a的前端，這種球狀晶體34直徑約0.45mm，其表面呈光滑具有光澤的球面狀。
這樣，便可以在極短時(shí)間內(nèi)制成如圖9、圖10所示由硅單晶所構(gòu)成的25個(gè)球狀晶體34。至于上述球狀晶體34成為理想球狀硅單晶的理論如前述權(quán)項(xiàng)1的作用和效果段落所述，因而在此省略重復(fù)記載。
如上所述制成的球狀晶體34A具有由硅單晶構(gòu)成的晶體基板30；從該晶體基板30表面部一體突出形成5行5列矩陣狀的硅單晶構(gòu)成的多個(gè)基部32a(突起部32的基部32a)；以及分別一體形成于多個(gè)基部32a前端的硅單晶構(gòu)成的大約球狀的球狀晶體34，該球狀晶體陣列34A制成后，可以通過(guò)將摻雜用雜質(zhì)導(dǎo)入上述多個(gè)球狀晶體34各自的表面部，或進(jìn)一步在硅表面上靠氣相生長(zhǎng)法等方法使薄膜晶體生長(zhǎng)，或形成集成電路，或連接電極或金屬細(xì)線，而得以應(yīng)用作為各種電子器件或光學(xué)元件或功能要素零件。
再者，有可能將球狀晶體34從晶體基板30切開(kāi)后用作具有球狀的新穎電子器件或光學(xué)元件或功能要素零件。
尤其是，球狀晶體陣列極適于構(gòu)成無(wú)論任一方向皆同樣發(fā)光的發(fā)光二極管，該陣列可吸收任一方向光且表面積亦大，因此亦適于構(gòu)成光電二極管或太陽(yáng)電池。
再者，在晶體基板30一側(cè)設(shè)置共同電極，可使各球狀晶體的接線構(gòu)造簡(jiǎn)化。
實(shí)施例2……參照?qǐng)D11～16本實(shí)施例僅在以圓柱狀代替角柱狀形成突起部32A的構(gòu)成上與實(shí)施例1不同，因此與實(shí)施例1相同功能部分加相同或類似標(biāo)號(hào)，省略說(shuō)明。
首先進(jìn)行與實(shí)施例1的第一步驟相同的第一步驟，接下來(lái)在第二步驟中，如圖11所示，在硅單晶所構(gòu)成的厚度約2.0mm的晶體基板30的表面上靠超聲波加工形成5行5列矩陣狀的圓柱狀突起部32A。在此場(chǎng)合，對(duì)超音波振動(dòng)的DI搪磨具的前端供給含有SiC或Al2O3的粉末(磨粒)，同時(shí)使DI搪磨具壓抵晶體基板30之表面，利用上述磨粒的碰撞加工成如同DI搪磨具形狀的圓柱形狀。各突起部32A的尺寸例如為直徑0.15mm，高度1.0mm。
其后，進(jìn)行與實(shí)施例1第三至第六步驟相同的第三至第六步驟，以形成5行5列矩陣狀的25個(gè)球狀晶體34A。
在此，與實(shí)施例1的角柱狀突起部32相比較，本例的圓柱狀突起部32A具有對(duì)稱性，因此球狀晶體34A的球?qū)ΨQ晶體構(gòu)造成較優(yōu)異。
實(shí)施例3……圖17
本實(shí)施例3的第一至第五步驟與實(shí)施例1的第一至第五步驟相同，因此省略其說(shuō)明。
在第五步驟后的第六步驟中，如圖17所示，在晶體基板30的25個(gè)突起部32的前端面上真空蒸鍍約1.0μm厚度的鍺—硅混晶形成用的鍺，藉此在各突起部32的前端面32c上形成上述鍺被膜35。
此鍺被膜35設(shè)置時(shí)，例如，對(duì)于晶體基板30突起部32一側(cè)表面，除了待形成鍺被膜35的面外皆被覆有光刻膠的狀態(tài)下，真空蒸鍍鍺，然后除去光刻膠。
然后，進(jìn)行與實(shí)施例1的第六步驟相同的第七步驟，形成由硅與鍺的混晶單晶所構(gòu)成的球狀晶體。但加熱熔融、固化其氣氛并非在空氣中而是在氫氣中進(jìn)行的。與實(shí)施例1相同功能的部分加相同標(biāo)號(hào)，省略說(shuō)明。再者，這種球狀晶體成為理想的球狀單晶的理論如前述權(quán)項(xiàng)1的作用和效果段落所述，因而在此省略重復(fù)記載。
這種硅與鍺的混晶單晶的禁帶能隙小于硅，但大于鍺。該單晶的特征為可利用于光電二極管或以異接合利用于高速三極管制造等。
如上所述制成的晶體基板上形成的球狀晶體陣列具備由硅單晶構(gòu)成的晶體基板30；從該晶體基板30的主表面突出形成在晶體基板30上的5行5列矩陣狀的由硅單晶構(gòu)成的多個(gè)基部32a(突起部32的基部32a)；以及分別一體形成于多個(gè)基部32a前端的由硅—鍺混晶單晶構(gòu)成的大約球狀的球狀晶體。
本實(shí)施例3中是將球狀晶體形成為硅—鍺混晶這種單晶的，但上述鍺被膜35亦可代之以磷、砷、銻等作為摻雜用雜質(zhì)(施主雜質(zhì))來(lái)形成被膜，或代之以硼、鋁、鎵、銦等摻雜用雜質(zhì)(受主雜質(zhì))來(lái)形成被膜，在這些場(chǎng)合，可將球狀晶體構(gòu)成為n型或p型半導(dǎo)體單晶。但這些摻雜用雜質(zhì)除了被膜提供的之外，還可以根據(jù)需要靠氣相的氣體擴(kuò)散法或氣相的化學(xué)沉積法等方法覆蓋固著，然后導(dǎo)入球狀晶體內(nèi)。
再者，在n型或p型半導(dǎo)體單晶所構(gòu)成的球狀晶體其表面上利用氧化膜的形成、蝕刻及氣相生長(zhǎng)法使n型或p型半導(dǎo)體單晶層迭層時(shí)，或藉蒸鍍法或光蝕刻法形成電極或配線時(shí)可構(gòu)成集成電路、發(fā)光二極管、光電二極管等各種電子器件。此在實(shí)施例1的球狀晶體、實(shí)施例2的球狀晶體的情況亦一樣。
實(shí)施例4(省略圖示)本實(shí)施例4在第一步驟中準(zhǔn)備一純度不高的硅單晶構(gòu)成的晶體基板，是厚度為2.0mm，主面具有(111)面取向的晶體基板。
其第二至第六步驟與第一實(shí)施例的第二至第六步驟相同，因此省略其說(shuō)明，不過(guò)在此場(chǎng)合形成硅單晶的球狀晶體，其表面有雜質(zhì)偏析。如權(quán)項(xiàng)1的作用和效果段落所述，球狀晶體形成時(shí)，在未熔化的突起部部分(即突起部的基部)開(kāi)始進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的情況下，其固化是從球狀熔融液的中心一側(cè)向表面進(jìn)行的，因此硅單晶所含的雜質(zhì)就偏析至球狀晶體的表面部。
因此，在第六步驟后的第七步驟中對(duì)多個(gè)球狀晶體進(jìn)行蝕刻處理，便除去上述偏析出的雜質(zhì)和表面的硅氧化被膜。
其晶體基板應(yīng)用硅多晶晶體基板的場(chǎng)合亦可運(yùn)用上述第七步驟的蝕刻處理，藉以除去球狀晶體表面偏析出的雜質(zhì)和表面的硅氧化被膜。
實(shí)施例5(省略圖示)本實(shí)施例5與實(shí)施例4同樣，在第一步驟中準(zhǔn)備一純度不高的硅單晶構(gòu)成的晶體基板，厚度為2.0mm，主面具有(111)面取向。
第二至第六步驟與實(shí)施例1的第二至第六步驟相同，因此省略其說(shuō)明，不過(guò)在此場(chǎng)合形成硅單晶球狀晶體，其表面部有雜質(zhì)偏析。
接著在第七步驟中，與實(shí)施例4的第七步驟同樣，對(duì)多個(gè)球狀晶體進(jìn)行蝕刻處理，以除去偏析的雜質(zhì)和硅氧化被膜。
接下來(lái)，在第八步驟中對(duì)于已在第七步驟除去雜質(zhì)的多個(gè)球狀晶體以與實(shí)施例1的第六步驟相同的方式利用激光束使之再熔融后固化以進(jìn)行再結(jié)晶。如此再結(jié)晶時(shí)球狀晶體的表面部分就有雜質(zhì)再次偏析，因此將上述第七步驟和第八步驟重復(fù)多次。
這樣，便可逐漸提高各球狀晶體的純度，制成高純度硅單晶球狀晶體。這樣就可除去球狀晶體所含的雜質(zhì)作為晶體基板，可應(yīng)用純度不高的例如金屬級(jí)的硅多晶所構(gòu)成的晶體基板，其價(jià)格與硅單晶晶體基板相比格外得低，因此可制成較低廉的球狀晶體陣列。再者，球狀晶體直徑變小時(shí)容易單晶化，表面積對(duì)體積的比率變大，因此增強(qiáng)自表面吸收雜質(zhì)的功效。
實(shí)施例6(省略圖示)對(duì)實(shí)施例5的球狀晶體制造方法所制得的多個(gè)球狀晶體表面的雜質(zhì)和硅氧化被膜，藉蝕刻處理予以除去。
接下來(lái)，與實(shí)施例1的第四步驟一樣，將這些具有球狀晶體的晶體基板置于熱氧化爐內(nèi)，在球狀晶體表面及其以外部分的表面上形成摻有磷的硅氧化被膜(例如厚度1.0μm)。接下來(lái)，對(duì)這些多個(gè)球狀晶體和晶體基板進(jìn)行熱處理(例如加熱至1000～1200℃溫度)，使氧化被膜吸收球狀晶體內(nèi)的雜質(zhì)。接下來(lái)，對(duì)這些球狀晶體進(jìn)行蝕刻處理，除去上述吸收了雜質(zhì)的氧化被膜。也就是說(shuō)，由于偏析作用小但擴(kuò)散系數(shù)大的元素(例如硅晶體中的Au，Ag，Cu等)即使反覆實(shí)施例5之第七步驟和第八步驟也難于完全除去，因而通過(guò)本實(shí)施例的處理，可以幾乎完全除去這些擴(kuò)散系數(shù)大的元素所構(gòu)成的雜質(zhì)。
對(duì)于實(shí)施例1～實(shí)施例4制造方法所制得的球狀晶體，也可進(jìn)行本實(shí)施例6的處理。
實(shí)施例7(省略圖示)本實(shí)施例7是在球狀晶體生長(zhǎng)時(shí)所誘發(fā)的內(nèi)部畸變或晶體缺陷成問(wèn)題的場(chǎng)合對(duì)球狀晶體進(jìn)行退火處理的例子。
首先，將實(shí)施例1制造方法所制得的球狀晶體陣列置于加熱爐內(nèi)，例如加熱至700～1200℃范圍內(nèi)的選定溫度，接下來(lái)，從加熱爐中取出該加熱的球狀晶體陣列，使之慢慢冷卻至常溫。象這樣對(duì)球狀晶體陣列進(jìn)行退火處理，可減少內(nèi)部畸變或晶體缺陷。本實(shí)施例7也可應(yīng)用于實(shí)施例1～實(shí)施例6所制得的球狀晶體陣列。
實(shí)施例8……參照?qǐng)D18、圖19本實(shí)施例8首先在第一步驟中準(zhǔn)備，如圖18所示，純度不高的硅所制的厚度1.5mm的多晶基板30B，和硅單晶構(gòu)成的厚度1.0mm、主面具有(111)面取向的單晶基板30C，利用公知的加熱加壓方法使單晶基板30C粘接于多晶基板30B的頂面上，制成晶體基板30A。
對(duì)這種晶體基板30A進(jìn)行與實(shí)施例1的第二至第六步驟相同的第二至第六步驟，形成由硅單晶制成的25個(gè)球狀晶體。
具體來(lái)說(shuō)，由于以硅單晶構(gòu)成突起部32，故而可形成由硅單晶構(gòu)成的球狀晶體。又由于用低廉的多晶基板30B來(lái)構(gòu)成晶體基板30A中除了突起部32以外的部分，故而可較低廉地制成球狀晶體陣列。
實(shí)施例9……參照?qǐng)D20、圖21本實(shí)施例9在第一步驟中，與實(shí)施例1的第一步驟同樣準(zhǔn)備厚度2.0mm的硅單晶晶體基板30。
接著，在第二步驟中與實(shí)施例1的第二步驟同樣形成5行5例矩陣狀的25個(gè)突起部32B。但與實(shí)施例1的突起部32相比，這些突起部32B較短，例如形成約0.8mm的高度。接下來(lái)，與實(shí)施例1的第三步驟和第四步驟一樣進(jìn)行第三步驟和第四步驟，而在第五步驟中與實(shí)施例1的第五步驟大致同樣，除去硅氧化膜的一部分，但本例第五步驟如圖20所示在這些突起部32B的全部高度上除去突起部32B外表整面的硅氧化被膜33。
然后，在此場(chǎng)合形成由殘存于突起部32B基端周?chē)墓柩趸荒?3所構(gòu)成的流動(dòng)控制膜33b，藉此流動(dòng)控制膜33b便可控制下一步驟(第六步驟)所熔化的硅熔融液沿晶體基板30表面的流動(dòng)。接下來(lái)，在第六步驟中與實(shí)施例1的第六步驟大致同樣地進(jìn)行激光束掃描，在此加熱熔融時(shí)，使各突起部32B全部熔融后固化，使之結(jié)晶。此球狀晶體34B固化時(shí)也靠硅熔融液表面張力作用和流動(dòng)控制膜33b的流動(dòng)控制作用，形成為形狀完整(不崩潰)、接近球形的球狀晶體。
接著說(shuō)明可應(yīng)用于上述實(shí)施例或變更上述實(shí)施例的一部分來(lái)實(shí)施的各種方式。
(1)上述實(shí)施例都是在重力IG環(huán)境下形成球狀晶體的，但在突起部熔化步驟后，至少是熔融部分固化成晶體的步驟可以在失重或微重力條件下實(shí)施。
在此場(chǎng)合由于對(duì)熔融部分的熔融液起作用的重力影響幾乎消失，使熔融液的表面張力作用變得更具強(qiáng)支配性，可形成更接近真球形狀的球狀晶體。這在熔融液體積較大的場(chǎng)合或自重影響較大的場(chǎng)合均有利于球狀晶體的生長(zhǎng)。
又由于通常重力下熔融液內(nèi)的溫度分布引起熱對(duì)流時(shí)熔融液的攪拌問(wèn)題被消除，或比重不相同的多種組成的混晶或化合物晶體生長(zhǎng)上所發(fā)生的局部性組成不均勻問(wèn)題被消除，故而可形成高品質(zhì)球狀晶體。
(2)就上述實(shí)施例氣氛而言，有時(shí)希望依照所熔融的材料，在氬氣、氦氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w氣氛中實(shí)施至少是熔融步驟和結(jié)晶固化步驟，這也是可行的。
象這樣在惰性氣體氣氛中實(shí)施的場(chǎng)合，熔化的材料是例如砷(砷化鎵晶體的晶體成分)等平衡蒸氣壓較高有可能在熔融過(guò)程中分解蒸發(fā)的情況，最好提高這些惰性氣體的設(shè)定氣壓，使球狀晶體生長(zhǎng)。再者，有時(shí)也將惰性氣體氣氛的溫度適當(dāng)設(shè)定為可減少熔融液表面放熱的設(shè)定溫度。
(3)就上述實(shí)施例氣氛而言，還可以將突起部的熔融步驟和結(jié)晶固化步驟在含有摻雜用雜質(zhì)的氮?dú)庵羞M(jìn)行，將摻雜用雜質(zhì)導(dǎo)入球狀晶體。
(4)為代替上述實(shí)施例中的二氧化碳激光，還可以應(yīng)用YAG激光或紅寶石激光的Q開(kāi)關(guān)激光，可根據(jù)所熔材料的種類使用不同波長(zhǎng)的其他激光，使突起部至少一部分或全部熔融形成球狀晶體。
再者，為代替上述激光，還可以應(yīng)用藉聚光透鏡會(huì)聚收縮的紅外線射束，藉此紅外線射束使材料熔融，另在真空氣氛中進(jìn)行熔融和固化的場(chǎng)合也可以應(yīng)用會(huì)聚收縮的電子束，代替激光或紅外線射束。再者，為代替會(huì)聚收縮的加熱射束，使用規(guī)定寬度的加熱射束，對(duì)多行突起部以掃描或非掃描方式加熱熔化也不是不可能。
(5)上述晶體基材并非必需形成板狀，還可以形成棒狀或塊狀。再者，上述突起部并非必需形成角柱狀，也可以形成圓柱狀，可經(jīng)濟(jì)地形成圓柱狀時(shí)則希望形成圓柱狀，因?yàn)閳A柱突起部能夠形成更為接近真球的球狀晶體。
(6)在上述實(shí)施例中，突起部是與晶體基材(晶體基板)一體形成的，但也可以突起部與晶體基材不是一體形成的，而是另外制備由金屬、金屬氧化物、非金屬晶體或半導(dǎo)體單晶所構(gòu)成的突起部，將該突起部貼在或接合在金屬、金屬氧化物或非金屬晶體或半導(dǎo)體晶體的表面上，使該突起部至少一部分，或該突起部全部，或該突起部全部及晶體基板的一部分熔融、結(jié)晶而固化。在這種場(chǎng)合還要構(gòu)成為可確實(shí)從突起部吸熱至晶體基板。
(7)作為構(gòu)成上述晶體基板，與晶體基板連成一體的突起部，或粘接或接合在晶體基板上的突起部的材料，除了硅單晶或純度不高的硅單晶或多晶外，還可以用純度不高的鍺單晶或鍺多晶，其它各種半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性體或超導(dǎo)體，來(lái)形成這些材料晶體的球狀晶體。
以下物質(zhì)例示可根據(jù)本發(fā)明方法形成球狀晶體的材料。
a)金屬氧化物單晶Nd3Ga5O2LiTaO3電介質(zhì)晶體、熱電材料LiNbO3同上PbTiO3同上GGG(Gd3Ga5O12) 磁性化學(xué)晶體YAG(Y3Al5O12)激光用光學(xué)晶體(摻雜以Nd3+)Al2O3同上(摻雜以Cr3+)b)化合物半導(dǎo)體晶體GaAs，GaP，InAs，InSb，III-V族GaSb，InPZnS，ZnSe，CdTe II-VI族SiC IV-IV族c)混晶半導(dǎo)體晶體SixGe1-xIV-IV族
AlGa1-xP III-V族AlGa1-xAs III-V族AlGa1-xSb III-V族GaxIn1-xPIII-V族GaxIn1-xSb III-V族GaxIn1-xAsyP1-yIII-V族ZnSxSe1-xII-VI族Cd1-xZnxTe II-VI族Hg1-xCdxSe II-VI族Pb1-xSnxTe IV-VI族Pb1-xSnxSe V-VI族(8)作為上述晶體基材也可應(yīng)用金屬材料單晶、混晶單晶或多晶，或金屬氧化物材料單晶、混晶單晶或多晶，或非金屬材料單晶、混晶單晶或多晶，或上述材料的各種組合材料。
作為與晶體基板一體形成或分開(kāi)形成的突起部，也可應(yīng)用金屬材料單晶、混晶單晶或多晶，或金屬氧化物材料單晶、混晶單晶或多晶，或非金屬材料單晶、混晶單晶或多晶，或上述材料的各種組合材料。金屬材料或金屬氧化物材料的球狀晶體陣列具有產(chǎn)業(yè)利用之可能性，例如用作具備多個(gè)放電電極的放電電極裝置。
(9)對(duì)上述球狀晶體陣列進(jìn)行氣相生長(zhǎng)處理、氣相擴(kuò)散處理、氧化膜成膜處理、形成電極的處理等處理，將球狀晶體陣列各球狀晶體構(gòu)成為光電二極管，便可制得一種優(yōu)異的感光用光學(xué)元件，可實(shí)現(xiàn)各種方向入射光的感光。
(10)上述實(shí)施例中，是保持突起部向下姿勢(shì)進(jìn)行熔融和固化的，但保持突起部向上姿勢(shì)進(jìn)行熔融和固化亦并非不可能。
(11)為代替上述實(shí)施例中的突起部，亦可以如圖22所示，以與作為晶體基材的晶體基板70相對(duì)方式一體突出形成一對(duì)突起部71，藉加熱用射束照射這些突起部71的前端部，使之熔融后固化，在兩突起部71的前端部形成球狀晶體72。但在此場(chǎng)合其與上述實(shí)施例同樣也設(shè)法形成流動(dòng)控制膜。
(12)上述實(shí)施例中是使突起部位于晶體基板的底面一側(cè)從突起部下方對(duì)突起部前端面照射激光的，但也可以使突起部位于晶體基材的上方，從上方對(duì)突起部的前端照射激光。
(13)由上述實(shí)施例方法制得的球狀晶體也可以在集成電路、電極、端子等裝配于其內(nèi)之后或之前，從突起部或晶體基板上分離，應(yīng)用作為電子器件、光學(xué)元件、功能要素零件。
(14)作為加熱用射束，還可以根據(jù)需要使用多個(gè)相同波長(zhǎng)的激光，或多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光，多個(gè)聚光的紅外線射束，或這類光束的組合，以形成上述球狀晶體。
(15)作為晶體基板上形成突起部的方法，除了利用金剛石復(fù)式鋸條，超聲波加工技術(shù)外，也可應(yīng)用化學(xué)蝕刻法、噴砂法、氣相疊晶法等各種加工技術(shù)。
(16)關(guān)于流動(dòng)控制膜、較佳的是，該流動(dòng)控制膜由下述非活性被膜所構(gòu)成；即其熔點(diǎn)高于結(jié)晶生長(zhǎng)材料；相對(duì)結(jié)晶生長(zhǎng)材料的可濕性低；不會(huì)與熔融液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；且在高溫下不會(huì)受熱分解。在結(jié)晶生長(zhǎng)材料為硅的場(chǎng)合，可應(yīng)用硅氧化膜、硅氮化膜、氧化鋁等作為流動(dòng)控制膜，而在結(jié)晶生長(zhǎng)材料為砷化鎵、磷化銦等場(chǎng)合，也可應(yīng)用硅氧化膜、硅氮化膜、氧化鋁等作為流動(dòng)控制膜。再者，這種流動(dòng)控制膜可藉化學(xué)氣相生長(zhǎng)法(C.V.D)形成。
權(quán)利要求
1.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟 ，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材上，以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料制成的晶體構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述突起部中離開(kāi)前端的基部的外表面全面形成一流動(dòng)控制被膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部的晶體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部前端照射加熱用射束，使突起部中比流動(dòng)控制被膜更靠近前端一側(cè)部分熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部的照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
2.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟，在半導(dǎo)體晶體基材上，以其表面一體突出的方式形成細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述突起部中離開(kāi)前端的基部的外表面全面形成一流動(dòng)控制膜，此被膜的熔點(diǎn)高于該半導(dǎo)體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部的前端照射加熱用射束，使突起部中比流動(dòng)控制被膜更靠近前端一側(cè)部分熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
3.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟，在半導(dǎo)體晶體基材上，以從其表面突出的方式設(shè)置由半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述突起部中離開(kāi)前端的基部的外表面全形成一流動(dòng)控制膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成該突起部的半導(dǎo)體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部的前端照射加熱用射束，使突起部中比流動(dòng)控制被膜更靠近前端一側(cè)部分熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
4.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟，在金屬或金屬氧化物或非金屬材料所制成的晶體基材上，以從其表面突出的方式設(shè)置由金屬或金屬氧化物或非金屬材料制成的晶體所構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述晶體基材突起部一側(cè)表面形成一流動(dòng)控制被膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成突起部的晶體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部的前端照射加熱用射束，使突起部全部熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
5.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟，在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面一體突出的方式設(shè)置細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述半導(dǎo)體晶體基材突起部一側(cè)表面形成一流動(dòng)控制膜，此被膜的熔點(diǎn)高于該半導(dǎo)體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部的前端照射加熱用射束，使突起部全體熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
6.一種球狀晶體制造方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)下述步驟制造球狀晶體第一步驟，在半導(dǎo)體晶體基材上以從其表面突出的方式設(shè)置由半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的細(xì)徑突起部；第二步驟，在上述半導(dǎo)體晶體基材突起部一側(cè)表面形成一流動(dòng)控制被膜，此被膜的熔點(diǎn)高于構(gòu)成該突起部的半導(dǎo)體的熔點(diǎn)；第三步驟，對(duì)上述突起部的前端照射加熱用射束，使突起部全體熔融；以及第四步驟，停止對(duì)該突起部照射加熱用射束，利用表面張力作用和該流動(dòng)控制被膜的流動(dòng)控制作用使上述熔融部分固化成大致球狀的球狀晶體。
7.如權(quán)利要求2、3、5和6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用純度不高的半導(dǎo)體多晶基材作為上述半導(dǎo)體晶體基材或突起部。
8.如權(quán)利要求2、3、5和6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用半導(dǎo)體單晶基材作為上述半導(dǎo)體晶體基材。
9.如權(quán)利要求3或6所述的方法，其特征在于，使用半導(dǎo)體單晶作為構(gòu)成上述突起部的半導(dǎo)體晶體。
10.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少第四步驟是在失重或微重力條件下進(jìn)行的。
11.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述方法，其特征在于，在上述第四步驟之后進(jìn)行下述第五步驟；對(duì)固化的球狀晶體的表面進(jìn)行蝕刻處理，除去聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)。
12.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，多次重復(fù)進(jìn)行下述步驟對(duì)固化的球狀晶體表面進(jìn)行蝕刻處理，除去聚集于球狀晶體表面的雜質(zhì)的第五步驟，以及對(duì)上述第五步驟除去雜質(zhì)后的球狀晶體再熔融，然后使之固化成球狀，再結(jié)晶的第六步驟。
13.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了減少所固化球狀晶體的內(nèi)部應(yīng)力和晶格缺陷，對(duì)球狀晶體進(jìn)行退火處理。
14.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，除去固化球狀晶體表面上的氧化被膜后再在球狀晶體表面上形成新氧化被膜，接下來(lái)對(duì)球狀晶體進(jìn)行熱處理，使球狀晶體中的雜質(zhì)吸收到氧化被膜內(nèi)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在該第六步驟結(jié)束后，除去固化球狀晶體表面上的氧化被膜，然后在該球狀晶體表面上形成新氧化被膜，接下來(lái)對(duì)球狀晶體進(jìn)行熱處理，使球狀晶體中的雜質(zhì)吸收到氧化被膜內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造基板晶體的方法，它將晶體構(gòu)造上優(yōu)異、形狀完整(不崩潰)的球狀晶體簡(jiǎn)單形成于晶體基材上，將除去雜質(zhì)后、形狀完整的球狀晶體簡(jiǎn)單形成于晶體基材上。在半導(dǎo)體晶體基材上一體形成突起部，形成一覆蓋在晶體基材表面和突起部基部外表全面的流動(dòng)控制膜，對(duì)該突起部前端照射加熱用射束，使該突起部前端一側(cè)部分熔融，利用熔融液的表面張力作用和流動(dòng)控制膜的流動(dòng)控制作用使熔融液固化成球狀，形成球狀晶體。
文檔編號(hào)C30B11/00GK1138355SQ95191160
公開(kāi)日1996年12月18日 申請(qǐng)日期1995年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月10日
發(fā)明者中田仗祐 申請(qǐng)人:中田仗祐