DD259425A1 - Verfahren zur fluessigphasenepitaxie von mehrschichtstrukturen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur epitaktischen Abscheidung von Mehrschichtstrukturen auf grossen Substratflaechen, die als diskrete Injektionslumineszenzdioden zur Anzeige Anwendung findet. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fluessigphasenepitaxie anzugeben, das eine einfache zuverlaessige und industriemaessige Herstellung von Mehrschichtstrukturen gewaehrleistet. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die in separaten Behaeltern homogenisierten Wachstumsschmelzen unterhalb der Homogenisierungstemperatur jeweils mehrere uebereinander angeordnete, scheibenfoermige Wachstumskammern eingeleitet werden, wobei die Teilschmelzen waehrend der folgenden Schichtabscheidung untereinander verbunden bleiben und nach Abschluss der Schichtabscheidung in voneinander getrennte Teilschmelzen zerlegt werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reproduzierbaren epitaktischen Abscheidung von AIII-BV-Mehrschichtstrukturen auf großen Substratflächen, insbesondere von Strukturen, aus denen rote oder infrarote Strahlung emittierende Bauelemente hergesteflt werden. Diese Bauelemente finden als diskrete Injektionslumineszenzdioden zur Anzeige von Betriebszuständen oder in geeigneten Kombinationen als alphanumerische Displays oder Analoganzeigen Anwendung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die industriemäßige Züchtung von AIII-BV-Mehrschichtstrukturen, die für die Herstellung von rot-oder infrarotemittierenden Bauelementen benötigt werden, wird im allgemeinen die Flüssigphasenepitaxie angewendet.

Hierzu sind zwei Gruppen von Verfahren bekannt. Die erste bedient sich sogenannter Pumpkassetten, bei denen der Austausch der Wachstumsschmelze für die jeweils abgeschiedene Schicht durch die Wachstumsschmelze für die nachfolgend abzuscheidende Schicht nach dem Prinzip der Verdrängungsspülung erfolgt. Dabei sind die Substrate nacheinander in einem Kanal angeordnet, in den die Wachstumsschmelzen aufeinanderfolgend eingeleitet werden.

Verfahren dieser Art sind beispielsweise in DE-OS 3106484, DE-OS 3115389 und FR-PS 8004323 beschrieben. Sie weisen insbesondere den Vorteil auf, daß während des Schmelzenaustausches keine mechanischen Beschädigungen der frisch gewachsenen Oberfläche auftreten können. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch, daß etwa 5 bis 10mal größere Schmelzen mengen verfügbar sein müssen als für die Schichtabscheidung erforderlich sind, um eine ausreichende Verdrängung zu erreichen. Eine solche Verfahrensweise ist für die Abscheidung von Mehrschichtstrukturen für Laserbauelemente vertretbar, da hier nur vergleichsweise geringe Scheibenflächen (im allgemeinen kleiner als 20cm²) zu beschichten sind. Für die Beschichtung einer größeren Anzahl (etwa 10) Substrate mit einem Durchmesser von 51 mm ist die Gruppe der Pumpkassetten völlig ungeeignet, weil dafür der Wachstumskanal so lang sein müßte, daß ein für alle Substrate gleichmäßiger Schmelzenaustäusch nahezu unmöglich wird, da sich die verdrängende Schmelze über die Kanallänge immer stärker mit Anteilen der zu verdrängenden Schmelze anreichert. Somit ergibt sich eine unerwünschte Änderung der Mischkristallzusammensetzung über die Kanallänge.

Eine weitere Gruppe von Verfahren bedient sich sogenannter Schiebekassetten, bei denen die nicht mehr benötigte Wachstumsschmelze mechanisch entfernt und ebenso aufgebracht wird. Ein Vorteil dieser Gruppe ist, daß die benötigten Schmelzenmengen nur denen entsprechen, die für die Schichtabscheidung wirklich erforderlich sind: Nachteilig ist, daß durch besondere Maßnahmen dafür zu sorgen ist, daß mechanische Beschädigungen der Oberflächen vermieden werden. ' Ein Verfahren für die gleichzeitige Beschichtung einer größeren Anzahl von Substraten aus nur einer Schmelze ist in DE-PS 26116700 beschrieben. Die Schmelze wird in einem vertikalen Tiegel homogenisiert. Dieser Tiegel ist aus wechselnd übereinander angeordneten, verschiebbaren und festen Platten zusammengesetzt. Diese Platten nehmen in entsprechenden Aussparungen Substrate auf. Um das Wachstum einzuleiten, werden die verschiebbaren Platten solange gegen die feststehenden Platten verschoben, bis die Schmelze vollständig in einzelne Schmelzenscheiben zerteilt ist, die sich ihrerseits dann jeweils über einem Substrat befinden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch prinzipiell nur für die Abscheidung aus einer einzigen Schmelze. Würde man eine weitere, anders zusammengesetzte Schmelze in entsprechender Weise anordnen, so würden sich nach dem Verschieben der Platten Anteile der ersten Schmelze mit der zweiten Schmelzein unerwünschter Weise vermischen.

In den Veröffentlichungen DE-OS 3248689 und DE-OS 3036643 sind Lösungen beschrieben für die Züchtung von Mehrschichtstrukturen für Laserbauelemente, die es gestatten, nach dem Schiebeverfahren eine größere Anzahl von Substraten nacheinander aus verschiedenen Schmelzen zu beschichten. Charakteristisch für diese Lösungen ist, daß mehrere, ca.

20 χ 20 mm große, senkrecht angeordnete Substrate nacheinander durch die entsprechenden Schmelzen geschoben werden.

Die wegen möglicher Konvektion für die Homogenität der Schichtparameter ungünstige senkrechte Anordnung der Substrate ist darüber hinaus ungeeignet für kreisrunde Scheiben, beispielsweise mit 51 mm Durchmesser.

In der DE-AS 2352605 ist eine Lösung für die aufeinanderfolgende Beschichtung einer größeren Anzahl von Substraten aus zwei Schmelzen beschrieben. Dazu sind feste und bewegliche Platten so übereinander angeordnet, daß die bt geglichen Platten um eine gemeinsame Achse drehbar sind.

In dem so entstehenden Plattenstapel sind zwei Tiegel für die Aufnahme der Schmelzen ausgespart. Die Ausnehmungen für die Substrate sind auf den festen und den beweglichen Platten jeweils so angeordnet, daß zur Einleitung der Schichtabscheidung durch Drehung um 90° alle Substrate mit einer scheibenförmigen Teilschmelze der ersten Schmelze bedeckt werden. Bei Rückdrehung um 180° werden alle Substrate mit scheibenförmigen Teilschmelzen der zweiten Schmelze bedeckt, und es kann eine zweite Schicht abgeschieden werden. Zur besseren Homogenisierung der Schmelzen vor Beginn der Schichtabscheidung ist je ein Rührwerk vorgesehen, das vor den Drehungen aus den Tiegeln herausgezogen wird. Bei Verwendung dieser Rührwerke sind zwei zusätzliche Durchführungen im Reaktor erforderlich, die zusätzliche Quellen von Undichtigkeiten sind und somit für die Reinheit des Gesamtsystems ein zusätzliches Risiko darstellen.

Es läßt sich leicht ermitteln, daß in einer derartigen Vorrichtung bei Einsatz von 51-mm-Substraten sich für eine 180°-Drehung ein Verschiebeweg von ca. 20cm ergibt. Dieser lange Verschiebeweg erhöht die Gefahr von mechanischen Oberflächenbeschädigungen durch Zerkratzen beträchtlich.

Während der ersten 90°-Drehung wird zwangsläufig auch die zweite Schmelze in Schmelzenscheiben zerlegt, die während der Abscheidung der ersten Schicht keinen Kontakt zum Sättigungsmaterial mehr haben. Dadurch besteht die Möglichkeit einer spontanen Kristallisation in den Teilscheiben der zweiten Schmelze. Die dabei sich bildenden Kristallite erhöhen auf dem langen Verschiebeweg das Risiko des Zerkratzens der Oberflächen. Darüber hinaus ist eine mit Kristalliten durchsetzte Schmelze ungünstig für eine Schichtabscheidung, da das Wachstum dann nicht nur auf dem Substrat, sondern auch in Undefinierter Weise an den Kristalliten erfolgt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Flüssigphasenepitaxie anzugeben, das eine einfache, zuverlässige und industriemäßige Herstellung von Mehrschichtstrukturen gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem auf einer größeren Anzahl und Fläche von Substraten in einem Epitaxieprozeß mindestens zwei verschiedenartig zusammengesetzte Schichten mit in sich homogenen Eigenschaften abgeschieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die in separaten Behältern homogenisierten Wachstumsschmelzen bei Temperaturen von 5 bis 10 Kelvin unterhalb der Homogenisierungstemperatur unter Zurücklassung von oxidischen und anderen das Wachstum störenden Verunreinigungen in jeweils mehrere übereinander angeordnete, scheibenförmige Wachstumskammern eingeleitet werden. Die entstandenen Teilschmelzenscheiben bleiben untereinander über eine Schmelzensäule verbunden, um unter Ausnutzung der guten Wärmeleitfähigkeit der Schmelze in allen Schmelzenkammern gleiche thermische Verhältnisse zu sichern und damit die Voraussetzung für homogene Schichtabscheidung zu schaffen.

Eine etwaige Oxidhaut der Schmelze verbleibt im Homogenisierungsbehälter.

Die Substrate werden ebenfalls übereinander auf Graphitplatten mit entsprechenden Ausnehmungen angeordnet. Unmittelbar nach der Schmelzenaufteilung werden die Substratplatten so in die Schmelzenkammern positioniert, daß bei Abkühlung des Systems die Schichtabscheidung auf den gesamten Substratflächen einsetzt.

Nach Abscheidung der ersten Schicht aus der ersten Schmelze werden die einzelnen Wachstumskammern zur Verringerung des hydrostatischen Drucks in jeder Teilschmelzenscheibe in voneinander getrennte Teilschmelzen zerlegt, um ihr gleichmäßiges Abstreifen vom beschichteten Substrat zu ermöglichen.

Die Beschichtung aus der zweiten Schmelze und gegebenenfalls weiteren Schmelzen erfolgt in gleicherweise.

Als abschließender Schritt wird entweder die letzte Wachstumsschmelze abgestreift oder die Schmelze verbleibt bis zur Entnahme der Kassette aus der Epitaxieanlage auf den Scheiben. Um eine genaue und reproduzierbare Positionierung der Scheiben in den einzelnen Wachstumskammern zu gewährleisten, erfolgt der Transport der auf den Substratplatten befindlichen Scheiben in dieWachstumskammern vermittels eines Klinkenmechanismus, der die schrittweise, lineare Translationsbewegung der Scheiben auf eine anschlagbegrenzte Hin-und Herbewegung des äußeren Bedienelementes reduziert. Durch diese sichere Positionierungsmöglichkeit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet für die industriemäßige Nutzung.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Dazu ist in Fig. 1 das Prinzip der Kassette zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.

Ein Grundkörper 1 enthält mehrere Lagen von übereinander angeordneten, verschiebbaren 2 und feststehenden 3 Etagen. In den verschiebbaren Etagen 2 sind Ausnehmungen angebracht, in denen sich die Substrate 8 befinden. In den feststehenden Etagen 3 sind die Wachstumskammern 9 ausgespart. Diese Wachstumskammern besitzen seitliche Ausnehmungen, die in ihrer

Übereinanderfolge den Schmelzeneinlaufkanal 17 bilden, der sich bis in die Homogenisierungsbehälter 5 fortsetzt und im Ausgangszustand durch die Platten 6 verschlossen wird. In einer Ebene mit den Platten 6 befindet sich die Steuerplatte 4, die eine

Öffnung 7 besitzt. Die verschiebbaren Etagen 2 werden gemeinsam mit der Steuerplatte 4 von einem Klinkenhalter 13 aufgenommen. Beiderseits der verschiebbaren Etagen 2 befinden sich im Klinkenhalter 13 Ausnehmungen für die Klinken 14. Diese greifen in dafür vorgesehene Kerben 15 des Steuerschiebers 11 ein.

Nach Abschluß der Schmelzenhomogenisierungsphase wird durch Betätigung des Bedienelementes 12 der Steuerschieber 11 bis zum Anschlag 10 geschoben. Damit verschiebt sich das Paket der verschiebbaren Etagen 2 sowie die Steuerplatte 4 vermittels der in die ersten Kerben 15 eingerasteten Klinken um den gleichen Betrag. Dadurch gelangen die Substrate in die Wachstumskammern für die erste Abscheidung. Die Anordnung der Öffnung 7 in der Steuerplatte bestimmt dabei den Zeitpunkt des Einlaufes der Schmelze in die Wai .stumskammern. Durch eine zweckmäßige Anordnung der Öffnung 7 wird der Kontakt zwischen Schmelze 5 und Substraten 8 optimal gestaltet, was insbesondere für die Beschichtung von Substraten mit großem Durchmesser, beispielsweise 51 mm, wichtig ist. Nachdem nun die Schmelze und die Substrate in die Wachstumskammern der ersten Schmelze eingebracht sind, wird in üblicher Weise durch Abkühlung des gesamten Systems die erste Schicht abgeschieden. Ebenso ist der Betrieb nach dem Step-cooling-, Supercooling-, Equilibrium cooling-oderTwo phase solution-Verfahren möglich. Die Schichtabscheidung wird abgebrochen, indem der Steuerschieber 11 bis zum Anschlag 16 zurückgezogen wird. Durch erneutes Verschieben des Steuerschiebers 11 bis zum Anschlag 10 werden die verschiebbaren Etagen 2 sowie die Steuerplatte 4 so weit verschoben, daß die beschichteten Substrate aus den Wachstumskammern der ersten Schmelze herausgelangen. Durch ein weiteres Hin- und Herschieben des Steuerschiebers 11 zwischen den Anschlägen 16 und 10 werden nun in analoger Weise die Substrate in die Wachstumskammern der zweiten Schmelze transportiert sowie die zweite Schmelze in die Wachstumskammern eingeleitet. Der Abschluß der Abscheidung der zweiten Schicht erfolgt in analoger Weise.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das in der Abbildung gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abhängigkeit vom zur Verfugung stehenden Reaktor werden eine beliebige Anzahl von Substratpositionen, vorzugsweise zehn, und eine beliebige Anzahl von Schmelzenbehältern, vorzugsweise zwei, drei oder vier, verwendet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Flüssigphasenepitaxie von Mehrschichtstrukturen binärer oder mehrkomponentiger AIIIBV-Verbindungen, gekennzeichnet dadurch, daß die in separativen Behältern homogenisierten Wachstumsschmelzen bei Temperaturen von 5 bis 10 Kelvin unterhalb der Homogenisierungstemperatur unter Zurücklassung von oxidischen und anderen das Wachstum

.. störenden Verunreinigungen in jeweils mehrere übereinander angeordnete, scheibenförmige Wachstumskammern eingeleitet werden, wobei die Teilschmelzen während der folgenden Schichtabscheidung untereinanderverbunden bleiben und nach Abschluß derSchichtabscheidung in voneinander getrennte Teilschmelzen zerlegt werden. '

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Abscheidung mehrerer verschiedenartig zusammengesetzter Schichten die Schmelzen aus einer entsprechenden Anzahl von Schmelzenhomogenisierungsbehälter in Gruppen von Wachstumskammern unmittelbar vor Beginn derSchichtabscheidung eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die zu beschichtenden Halbleiterscheiben in den Wachstumskammern und die Wachstumsschmelzen in dieselben durch ein einziges äußeres Bedienelement verteilt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Position von Halbleiterscheiben und Wachstumsschmelzen über einen anschlagbegrenzten Selbstpositionierungsmechanismus mit Hilfe von Sperrklinken gesteuert wird.