DD146471A1 - Metallquelle fuer gasphasenreaktion oder gasphasentransport - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metallquelle fuer Gasphasenreaktion oder Gasphasentransport wie sie zur Durchfuehrung von Epitaxieverfahren in der Halbleitertechnik verwendet wird. Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und der Oekonomie von Gasphasenepitaxieprozessen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz ueber dem Spiegel des fluessigen Quellenmetalls (z. B. Gallium) oder der Metallverbindung ein im Quellenmaterial schwimmender Halbhohlkoerper angeordnet ist, der unabhaengig vom Fuellstand einen konstanten Gasraum ueber dem Spiegel eingrenzt.

Description

Titel der Erfindung

Metallquelle für Gaaphasenreaktion oder Gasphasentransport

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Metallquelle zur Aufrecht-. erhaltung eines Umsatzes zwischen einem in einem Vorratsgefäß (Quelle) befindlichen flüssigen Metall oder einer flüssigen Metallverbindung und einem Gas, das über das flüssige Metall bzw. die Metallverbindung hinwegströmt, Derartige Vorratsgefäße dienen ζ. B, als Quellenbehält- ·· nis für eine oder mehrere Α-Komponenten bei der Synthese von Halbleitern des Typs A^IIIB^V, wobei A ein Element der 3· Hauptgruppe und B ein Element der 5. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente bezeichnen.

Derartige Vorratsgefäße können darüber hinaus überall dort eingesetzt v/erden, wo es darauf ankommt, das Metall in Form seines Dampfes bzw. in Form einer innerhalb des Vorratsgefäßes gebildeten flüchtigen Verbindung aus dem Vorratsgefäß heraus an einen gewünschten Ort zu transportieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte technische Lösungen für die Gestaltung solcher Vorratsgefäße $ die als Metallquellen dienen, lassen sich in zwei Arten einteilen: "

Bei der einen Gruppe handelt es sich um offene Vorratsgefäße, ζ. B. in Form von Booten oder Tiegeln, die mit dem Metall gefüllt sind. Ein reaktives Gas überströmt diese Vorratsbehälter und reagiert mit dem Metall zu einer leichtflüchtigen Verbindung, die dann an anderer Stelle an einer Reaktion zur Bildung ζ. B. des Halbleiters A¹¹¹B⁷ teilnimmt (J. Electrochem. Soc: SOLID STATE SCIENCE AKD TECHNOLOGY, Juli 1973, S. 948 Pig. 1)· Ein spezieller Nachteil dieser offenen Anordnung besteht darin, daß sich die Metalloberfläche leicht mit einer Kruste der Verbindung AB überziehen kann, da die B-hal-. tigen gasförmigen Spezies auch gegen den Gasstrom zurückdiffundieren können.

Dieser Nachteil wird in einer anderen technischen Lösung beseitigt, bei der das Vorratsgefäß in Form eines ge-

20" schlossenen Behältnisses mit nur kleinen Austrittsöffnungen für die flüchtige Metallverbindung angeordnet ist. In kommerziellen Epitaxiereaktoren in Senkrechtanordnung handelt es sich dabei gewöhnlich um Quarzbehälter, die durch einen gut passenden Deckel gegenüber dem übrigen Reaktorraum abgeschlossen sind. Das reaktive Gas tritt durch ein Koaxialrohr in das Vorratsgefäß ein, überstreicht die Metalloberfläche und reagiert mit dem Metall zur flüchtigen Metallverbindung, die dann durch kleine Kerben am Oberrand des Quarzbehälters in den Reaktorraum strömt.

-3- 21

Beide Arten der bekannten technischen Lösungen weisen aber einen entscheidenden Mangel auf: Durch den Metallverbrauch während des Betriebes sinkt der Füllstand im Vorrätsgefäß ab. Die Folge ist, daß der Gasraum über der Metalloberfläche anwächst und daß ein zunehmender Teil des reaktiven Gases das Vorratsgefäß durchströmt, ohne mit der Metalloberfläche in Berührung zu kommen« Dadurch sinkt die Ausbeute an flüchtiger Metallverbindung, Um das zu vermeiden, wurden hermetische Quellen vorgeschlagen, bei denen das reaktive Gas durch ein Eingangsrohr direkt in das flüssige Metall geführt wird, dieses durchströmt und mit ihm reagiert (DT-AS 154 25 02), Der Uachteil dieser Lösung besteht in der Schwierigkeit, zeitlich konstante Strömungsraten zu realisieren, da das Gas in mehr oder weniger großen Blasen durch das flüssige Metall gedrückt werden muß.

Die Forderung nach einer unter konstanten Bedingungen arbeitenden Metallquelle erhebt sich insbesondere für Epitaxiereaktoren zur Herstellung von A B -Halbleitermaterialien au3 mehreren Gründen:

1# Mit sich verminderndem Umsetzungsgrad in der Metallquelle vermindert sich die Konzentration der A-Komponente im Reaktionsraum und damit die Wachstumsrate der abzuscheidenden Epitaxieschicht« Heben der Beeinflussung der Wachstumsrate wirkt sich ein vermindertes Angebot an Α-Komponente auch aus auf:

- Einbau von Dotierstoffen

- Zusammensetzung des Mischkristalls bei der Abscheidung von s# B, GaAs₁ P-

-4- 2161.

Ein Beispiel: Unter normalerweise bei der Epitaxie von GaP : N angewandten Reaktionsbedingungen (STRIUGPELLOW et. al. J. Electr. Materials A₃, 363 (1975)) zur Herstellung grünleuchtender Dioden ergibt sich aus thermodynamischen Abschätzungen folgende Abhängigkeit der Parameter Wachstumsrate und Stickstoffkonzentration von dem Umsetzungsgrad der Ga-Quelle:

α? cc)	Umsetzungsgrad	7/achstumsrate	H-Konz.
850	100	100	100
	90	80	79
	80	56	66
	70	29	60
	60	0	55

2. Die unter 1. aufgeführten Nachteile eines sich vermindernden Quellenfüllstandes zwingen zu häufigem Nachfüllen der Quelle, um eine Reproduzierbarkeit der angestrebten Parameter zu gewährleisten. Das häufige Öffnen und Berühren der hochreinen Quelle in Epitaxiereaktoren birgt jedoch die Gefahr einer zusätzlichen Verschmutzung in sich, die durch unkontrollierbare Fremddotierung zu wesentlichen Parameterverschlechterungen der Epitaxieschicht führen kann.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die genannten Mangel der bekannten technischen Lösungen für eine Metallquelle in Gasphasenepitaxiereaktoren zu beseitigen. Es sollen die Reproduzierbarkeit und die Ökonomie von Gasphasenepitaxieprozessen zur Abscheidung von Halbleiterschichten verbessert werden.

21619

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Umsetzungsgrad zwischen einem Metall, das sich in einem Vorratsgefäß befindet und einem darübergeleiteten Gasstrom bei sich veränderndem Füllstand des Vorratsgefäßes zeitlich konstant zu halten sowie diese Metallquelle über längere Zeiträume wartungsfrei zu betreiben.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem durch einen Deckel abgeschlossenen Vorratsgefäß zu-* sätzlich noch ein Schwimmer in Form eines Halbhohlkörpers aus einem chemisch resistenten Material von geringerer Dichte als der des umzusetzenden Metalls angeordnet ist (z_e B. Reinstgraphit).

Der durch den Halbhohlkörper über dem Metallspiegel gebildete Gasraum, in den das Gas geleitet wird, bleibt bei sich veränderndem Füllstand bis zu einem unteren Pegel konstant, so daß in diesem Bereich gleiche Umsetzungsverhältnisse erhalten bleiben. Das Umsetzungsprodukt strömt durch Austrittsöffnungen in den oberen Teil des Vorrats- -gefäßes und verläßt das Vorratsgefäß durch weitere Austrittsöffnungen, beispielsweise um in eine andere Reaktionszone einzuströmen«

Bei Verwendung eines reaktiven Gases ist das in der Metallquelle entstehende Umsetzungsprodukt eine flüchtige Metallverbindung« Andererseits kann auch ein reines Transportgas verwendet werden* In diesem Falle besteht die Umsetzung in der Anreicherung des Transportgases mit dem Metalldampf,

.β.

Zweckmäßigerweise wird der Gasraum über dem Metallspiegel durch eine in geringem Abstand verlaufende parallele Fläche begrenzt, die zur besseren Verwirbelung des strömenden Gases mit einer entsprechenden Riffelung versehen ist* Die Gasaustrittsöffnungen des Halbhohlkörpers sind in der Mitte zwischen dem Metallspiegel und der parallelen Fläche angeordnet* Zur Verringerung der Eintauchtiefe weist der eintauchende Rand des Halbhohlkörpers einen größeren Querschnitt auf als dessen übrige Yfendung,

Im Hinblick auf die Vermeidung einer Verunreinigung des flüssigen Metalls und einer Rest-Rückdiffusion ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Halbhohlkörpers ebenso groß ist wie der Innendurchmesser des Vorratsgefäßes, vermindert um das zwischen beiden Teilen erfor- derliche Spiel«

Die erfindungsgemäße Metallquelle gewährleistet ein zeitlich konstantes Gasvolumen unter gleichbleibenden Strömungsverhältnissen im Gasraum über dem flüssigen Metall, auch bei sinkendem Füllstand, und damit einen konstanten Metallurasetzungsgrad. Außerdem wird durch Abschirmung . des Metallspiegels die Rückdiffusion und damit die Verunreinigung des Quellenmetalls vermieden. Die Quelle muß damit seltener zum nachfüllen berührt und geöffnet werden· Die Verschmutzungsgefahr nimmt ab und die Reproduzierbarkeit der angestrebten Parameter bei der Abscheidung von Halbleitermaterialien nimmt zu.

Ausführungsbeispiel

Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Metallquelle besteht aus einem durch einen Deckel 1 abgeschlossenen Vorratsgefaß 8 aus Quarzglas mit einer Gaszuführung 3» die koaxial auf ein Gaszuführungsrohr 5 für ein aus Wasserstoff und Chlorwasserstoff bestehendes Gasgemisch 14 aufgesetzt ist. Als Quellenmetall 13 wird Gallium verwendet. Das Vorratsgefäß 8 weist an seinem oberen Rand Austrittsöffnungen 7 auf. Ein im flüssigen Quellenmetall 13 schwimmender Graphit-Halbhohlkörper 4 schließt über dem Metallspiegel 6 einen Gasraum 2 ein, in den das Gasgemisch 14 einströmt. Zur Verstärkung der Verwirbelung des Gasgemisches 14 ist die Innenseite des Halbhoh'lkörpers 4 mit' einer entsprechenden Riffelung versehen« Der in das flüssige Quellenmetall 13 eintauchende Rand 12 ist mit Rücksicht auf den erforderlichen Auftrieb dicker ausgeführt als die übrige V/andung des Halbhohlkörpers 4, und zwar so, daß dessen parallele Fläche 11 von dem Metallspiegel 6 einen Abstand von etwa4 mm einnimmt. Der Rand 12 ist an vier Stellen-jeweils um 90° versetzt-mit Austrittsöffnungen 10 von 1 mm Durchmesser . versehen. Beim Betreiben der Metallquelle wird das koaxial durch das Gaszuführungsrohr 5 einströmende Gasgemisch 14 gezwungen, in den konstant ca. 4 mm hohen Zwischenraum zwischen dem Metallspiegel 6 und der dazu parallelen Flache 11 des schwimmenden Halbhohlkörpers einzuströmen. Durch dessen geriffelte Innenseite wird das Gasgemisch 14 verv/irbelt. Dadurch wird eine maximale Umsetzung des Galliums zu Galliumchlorid 9 erreicht, das dann durch Austrittsöffnungen 10 in den oberen Teil des Vorratsgefäßes 8 eintritt und dieses durch die Austrittsöffnungen 7 verläßt, um beispielsweise in die Reaktionszone eines Gasphasenepitaxie-Reaktors einzuströmen.

Claims (5)

Erfindungsanspruch

1· Metallquelle für Gasphasenreaktion oder Gasphasentransport, bestehend aus einem mit einem flüssigen Quellenmetall oder einer flüssigen Metallverbindung angefüllten Vorratsgefäß und einer oberhalb des Spiegels des Quellenmetalls bzw· der Metallverbindung endenden Gaszuführung, gekennzeichnet dadurch, daß über dem Metallspiegel (6) und der Gaszuführung (3) ein im Quellenmetall bzw, in der Metallverbindung schwimmender, chemisch und physikalisch resietenter Halbhohlkörper (4) angeordnet ist, der mit Gasaustrittsöffnungen (10) versehen ist*

2· Metallquelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Halbhohlkörper(4)eine Fläche (11) besitzt, die parallel zum Metallspiegel (6) verläuft und diesem etwa flächengleich ist·

3· Metallquelle nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Fläche (11) eine Riffelung besitzt.

: 4· Metallquelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der in das Quellenmetall bzw. die Metallverbindung eintauchende Rand (12) des Halbhohlkörpers (4) eine Querschnittsvergrößerung aufweist·

5· Metallquelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der größte Durchmesser des Halbhohlkörpers (4) gleich dem um das erforderliche Spiel reduzierten Innendurchmesser des Vorratsgefäßes (8) ist·

Hierzn_y/ Se tie Zcjchn ung