DE10135574A1

DE10135574A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie

Info

Publication number: DE10135574A1
Application number: DE10135574A
Authority: DE
Inventors: Guenther Groenninger; Peter Heidborn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: DE10135574B4

Abstract

Zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substaten mittels Flüssigphasenepitaxie wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die für eine Massenfertigung, für große Waferdurchmesser und auch für III-V-Materialsysteme geeignet ist. Die Vorichtung weist eine Halterung (1) zur Aufnahme mehrerer Substratscheiben (2), wobei die Substratscheiben parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse (3) der Halterung (1) angeordnet sind; einen Abscheidebehälter (4), in den die Halterung (1) einsetzbar ist; einen ersten Speicherbehälter (5) zur Aufnahme der Schmelze oder Lösung (12) eines aufzubringenden Schichtmaterials, der mit dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) verbindbar ist; und einen zweiten Speicherbehälter (8) zum Auffangen der von den Substratscheiben (2) nach einem Abscheidevorgang abgelassenen Schmelze oder Lösung (12), der mit dem Innenraum zumindest die Längsachse (3) der Halterung (4) verbindbar ist; auf, wobei zumindest die Längsachse (3) der Halterung (1) der Substratscheiben um die Vertikale schwenkbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie gemäß Patentanspruch 1 bzw. 7, und insbesondere ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung, die auch für die Massenfertigung geeignet sind.

Unter Flüssigphasenepitaxie (LPE = Liquid Phase Epitaxy) versteht man das gerichtete Wachstum von Schichten aus einer Schmelze oder Lösung über einem Substrat. Das Kristallwachstum erfolgt bei der LPE in Gleichgewichtsnähe und ermöglicht das Aufwachsen einer homogenen und besonders defektarmen Kristallstruktur. Für die LPE von einkristallinen Halbleiterschichten müssen mit dem Schichtmaterial gesättigte hochreine Schmelzen oder Lösungen bei genauer Temperaturkontrolle auf die Substrate aufgebracht und nach der Wachstumsphase wieder entfernt werden.

Zur Fertigung von Ein- und Mehrschichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie sind bereits verschiedene Verfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt.

In den Anfangsjahren der Entwicklung der LPE wurde zumeist das sogenannte Kipptiegelverfahren benutzt. In einem geneigten Tiegel war auf der einen Seite die Schmelze oder Lösung des gewünschten Schichtmaterials untergebracht und auf der anderen Seite war in geeigneter Weise ein Substrat fixiert. Durch Kippen des Tiegels wurde die Schmelze oder Lösung auf das Substrat aufgebracht und konnte wieder zum Abfließen gebracht werden, wenn der Tiegel in seine Ausgangslage zurück gekippt wurde. Das Kippen des Tiegels konnte quer zu seiner Längsachse oder durch Drehen des Tiegels um seine Längsachse erfolgen. Aufgrund der Fixierung nur eines Substrats und des aufwändigen Wechselns der Schmelzen oder Lösungen für unterschiedliche Epitaxieschichten ist dieses Kipptiegelverfahren allerdings für die Massenfertigung nicht geeignet.

Weiter wurde ein sogenanntes Schiebeverfahren für die Abscheidung mehrerer Schichten auf einem Wafer entwickelt, das sich ebenfalls nur bedingt zur Massenfertigung in der Flüssigphasenepitaxie eignet. Bei dem Schiebeverfahren wird üblicherweise ein Substrat in eine Vertiefung einer Grundplatte gelegt, wobei die Oberfläche des Substrats bündig oder mit definiertem Spalt mit der Oberfläche der Grundplatte abschließt. Das Epitaxiematerial wird beispielsweise in eine Aussparung eines Schiebers gegeben, der parallel zu der Grundplatte ausgerichtet und parallel zu dieser verschiebbar ist. Nach dem Schmelzen oder Auflösen des Epitaxiematerials wird der Schieber derart gegenüber der Grundplatte verschoben, dass die Aussparung mit dem Epitaxiematerial über das Substrat in der Grundplatte gelangt. Auf der Substratoberfläche erfolgt nun die epitaktische Schichtabscheidung. Anschließend wird der Schieber mit dem Epitaxiematerial wieder zurückgeschoben, so dass die Schmelze oder Lösung von dem Substrat abgestreift wird. Beispiele für ein derartiges Schiebeverfahren sind in der DE 38 34 930 A1 oder der DE 198 24 566 C1 offenbart.

Mit dem Schiebeverfahren lassen sich auf einfache Weise Mehrschichtstrukturen herstellen, indem der Schmelzen- oder Lösungswechsel durch mechanisches Abstreifen der einen Schmelze oder Lösung und Aufschieben der folgenden Schmelze oder Lösung auf den liegenden Wafer erfolgt. Insbesondere mit zunehmender Gesamtschichtdicke entstehen bei dem Schiebeverfahren aber einige Probleme. Um eine Schmelze oder Lösung gut abstreifen zu können und deren Verschleppung zu verhindern, darf der Spalt wischen Wafer und Abstreifer nicht zu groß werden. Es ist außerdem bekannt, dass bei der LPE an den Rändern der Wafer Randaufwachsungen entstehen. Beim Schieben der Schmelzen kann es zu einem Abscheren dieser Randaufwachsungen kommen, die dann über den Wafer geschoben werden und in der Regel Kratzer hinterlassen. Das Problem solcher Kratzer wächst mit der Zunahme der abzuscheidenden Schichtdicke. Aus diesem Grund sind Maßnahmen bekannt, die ein derartiges Randwachstum verhindern sollen, aber nicht für die Massenfertigung großer Waferdurchmesser verwendbar sind.

Ein weiteres Problem liegt in dem Material des Schiebers, für das üblicherweise Graphit gewählt wird. Ein Abrieb des Graphits kann zu zusätzlichen Wachstumsstörungen wie zum Beispiel Löchern in den Epitaxieschichten führen. Außerdem lassen sich die bekannten Schieber für große Waferdurchmesser nur begrenzt einsetzen, da ein Abstreifen der Schmelze mit zunehmender Fläche immer schwieriger wird. Zudem ist die nutzbare Epitaxiefläche durch die Länge der temperaturkonstanten Zone des Ofens, den nutzbaren Reaktordurchmesser und den erforderlichen Schiebeweg deutlich eingeschränkt.

Als weiteres Verfahren der LPE ist das sogenannte Tauchverfahren bekannt, das für die Massenfertigung entwickelt wurde. Bei diesem Verfahren wird ein Stapel von Wafern, die in kammartigen Haltern angebracht sind, in eine Wachstumsschmelze eingetaucht. Dabei können die Wafer sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet werden. Ein Beispiel für ein solches Tauchverfahren ist in der DE 367 404 C2 beschrieben.

Im Fall der horizontalen Anordnung der Wafer lässt sich die aufgebrachte Schmelze oder Lösung nicht mehr vollständig von den Wafern entfernen. Mittels Abschleudern durch schnelle Drehbewegungen kann man zwar einen Großteil der Schmelze oder Lösung entfernen, aber es bleibt ein nicht unerheblicher Schmelzen- oder Lösungsrest auf den Wafern zurück, der in eine nachfolgende Schmelze oder Lösung verschleppt werden würde. Aus der Schmelze oder Lösung muss deshalb die komplette funktionale Struktur des Bauelements gewachsen werden, was zum Beispiel bei GaAs:Si-Schichtstrukturen gut möglich ist, da das amphoter dotierende Silizium den pn-Übergang während des Wachstums erzeugt.

Die andere Möglichkeit besteht in der vertikalen Anordnung der Wafer. Hier ist ein Schmelzenwechsel leicht möglich, da die Schmelze beim Herausheben des kammartigen Halters aus den Zwischenräumen von selbst abfließt, so dass nur geringe Schmelzenreste auf den Wafern verbleiben. Allerdings findet in den vertikalen Schmelzenkammern eine starke temperatur- und dichtegetriebene Konvektion statt, wodurch die Schichtdicken und zum Teil auch die Dotierungen über den Wafern sehr inhomogen werden. Selbst durch geeignete Maßnahmen, wie zum Beispiel keilförmige Schmelzenspalte, lassen sich diese Probleme nicht vollständig beseitigen.

Das Tauchverfahren ist zwar grundsätzlich für die Massenfertigung und auch für große Waferdurchmesser geeignet; jedoch gelten die genannten Einschränkungen bezüglich der Homogenität der abgeschiedenen Schichten, die einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die nachfolgende technische Bearbeitung solcher Wafer und auf die Eigenschaften der so hergestellten Bauelemente haben.

Ein weiteres LPE-Fertigungsverfahren ist das Pumpverfahren, bei dem die Schmelze oder Lösung auf die Wafer gepumpt wird. Das Pumpen erfolgt üblicherweise durch eine Kolbenpumpe; die Wafer können vertikal, horizontal oder auch geneigt angeordnet werden. Bei horizontal angeordneten Wafern kann die Schmelze oder Lösung nur schlecht wieder entfernt werden, und für die vertikale und geneigte Anordnung gilt bezüglich der Homogenität der Schichtdicken und der Dotierung das Gleiche wie für die vertikale Anordnung beim Tauchverfahren. Ein zusätzliches Problem ist der beim Pumpen entstehende Abrieb im Pumpenraum, der bei einer nachfolgenden Schmelze oder Lösung mit auf die Wafer und zu Wachstumsstörungen führen kann. Das Pumpverfahren kann für Waferdurchmesser bis zu etwa 3 Inch (7,6 cm) eingesetzt werden, hat aber bei diesen Durchmessern aufgrund der zu pumpenden Schmelzen- oder Lösungsvolumina seine Grenzen erreicht.

Schließlich soll an dieser Stelle noch das Zentrifugenverfahren genannt werden, das bisher nur im Labormaßstab betrieben wird. Der Schmelzen- oder Lösungswechsel erfolgt bei diesem Verfahren durch die Ausnutzung der Zentrifugalkraft bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten eines Tiegels. Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es über den wachsenden Epitaxieschichten keine bewegten Teile gibt, und dass die Perfektion der gewachsenen Oberflächen sehr hoch ist und auch Mehrschichtstrukturen gebildet werden können. Von Nachteil ist dagegen der hohe technische und apparative Aufwand zur Umsetzung dieses Verfahrens, weshalb es bis heute vor allem der Laboranwendung vorbehalten ist.

Neben den oben beschriebenen grundlegenden LPE-Fertigungsverfahren gibt es noch eine Reihe weiterer spezieller Verfahren, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, sowie Kombinationen der beschriebenen Verfahren.

Die herkömmlichen Fertigungsverfahren beinhalten jeweils einen oder mehrere Nachteile, dass entweder nur eine Schmelze oder Lösung verwendet werden kann, eine inhomogene Schichtdicke und/oder eine inhomogene Dotierung erzielt wird, mehrere Schichten nur mit schlechter Oberflächenperfektion abgeschieden werden können, oder das Verfahren für eine Massenfertigung und/oder für große Waferdurchmesser ungeeignet ist.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bisher bei der LPE-Fertigung von III-V-Materialsystemen standardmäßig nur Waferdurchmesser von etwa 2 Inch (5,1 cm) verwendet werden. Nur bei der Epitaxie von Silizium auf Silizium und bei Einzelwafern sind derzeit Waferdurchmesser von bis zu 100 mm einsetzbar, die zum Beispiel bei der Herstellung von Solarzellen Anwendung finden. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung von Schichtstrukturen mit größeren Waferdurchmessern besteht in der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE - Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), mit der Waferdurchmesser bis zu etwa 4 Inch (10,2 cm) bearbeitet werden können.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist es deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie bereitzustellen, die für die Massenfertigung geeignet sind und qualitativ hochwertige Schichtstrukturen gewährleisten. Weiter sollen das Verfahren und die Vorrichtung auch für große Waferdurchmesser von über 3 Inch (7,6 cm) und auch für das III-V-Materialsystem (z. B. GaAs) einsetzbar sein.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-8 bzw. 10-14 angegeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie weist eine Halterung zur Aufnahme mehrerer Substratscheiben bzw. Wafer auf, die in einen geschlossenen Behälter bzw. Tiegel einsetzbar ist, wobei die Substratscheiben parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse der Halterung angeordnet sind. Weiter sind ein erster Speicherbehälter zur Aufnahme der Schmelze oder Lösung eines aufzubringenden Schichtmaterials, der mit dem Innenraum des Behälters verbindbar ist, und ein zweiter Speicherbehälter zum Auffangen der von den Substratscheiben nach einem Abscheidevorgang abgelassenen Schmelze oder Lösung, der mit dem Innenraum des Behälters verbindbar ist, vorgesehen. Zur Durchführung der LPE ist zumindest die Längsache der Halterung, welche vorzugsweise senkrecht zu den Substratscheiben verläuft neigbar. Bei der Fertigung der Schichtstrukturen mit dieser Vorrichtung werden zunächst mehrere Substratscheiben parallel zueinander und horizontal in der Halterung angeordnet. Dann wird die Gesamtheit der Substratscheiben durch Drehen der Halterung oder der gesamten Vorrichtung aus der Horizontalen geneigt und eine Schmelze oder Lösung eines aufzubringenden Schichtmaterials aus dem ersten Speicherbehälter in den Behälter auf die Substratscheiben auflaufen gelassen. Zum Abscheiden der Epitaxieschicht aus der Schmelze oder Lösung wird die Gesamtheit der Substratscheiben zurück in die Horizontale geneigt. Nach dem Abscheidevorgang wird die Gesamtheit der Substratscheiben wieder aus der Horizontalen geneigt und die Schmelze oder Lösung von den Substratscheiben aus dem Behälter in den zweiten Speicherbehälter ablaufen gelassen.

Zum Aufbau einer Mehrschichtstruktrur kann der obige Vorgang mit mehreren Schmelzen oder Lösungen auch unterschiedlicher Materialien beliebig oft wiederholt werden. Der Neigungswinkel der Substratscheiben bzw. der Drehwinkel der Halterung oder der gesamten Vorrichtung beträgt vorzugsweise etwa 4 bis 60°, besonders bevorzugt 40° bis 50°.

Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung sind aufgrund der gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Substratscheiben für die Massenfertigung geeignet. Da bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsprozess die Verwendung bewegter Teile über den Oberflächen der abgeschiedenen Schichtstrukturen vermieden wird, besteht keine Gefahr, dass die Qualität der Schmelze oder Lösung oder der wachsenden Epitaxieschichten durch Abrieb beeinträchtigt werden könnten. Die homogene und defektarme Schichtstruktur wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass die Substratscheiben während der epitaktischen Schichtabscheidung horizontal orientiert sind. Es können so zuverlässig Schichtstrukturen hoher Qualität auf Waferdurchmessern von über 100 mm und auch mit III-V-Materialsystemen (z. B. GaAs) erzielt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2A bis 2D verschiedene schematische Darstellungen der Vorrichtung von Fig. 1 zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist zunächst schematisch der Aufbau einer Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels LPE gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In einer Halterung 1 können mehrere Substratscheiben bzw. Wafer 2 aufgenommen werden, wobei die Substratscheiben 2 in regelmäßigen Abständen parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse 3 der Halterung 1 angeordnet sind. Die Anzahl der Schmelzen oder Lösungen, die zur Abscheidung gelangen können, ist nur durch die Anzahl und Größe der Substratscheiben 2 und das zur Verfügung stehende Volumen der Halterung 1 beschränkt.
Die Halterung 1 ist zusammen mit den darin aufgenommenen Substratscheiben 2 in einen abgeschlossenen Behälter bzw. Tiegel 4 einsetzbar. Oberhalb des Behälters 4 ist ein erster Speicherbehälter 5 zur Aufnahme der Schmelze oder Lösung 12 eines aufzubringenden Schichtmaterials vorgesehen, der über eine Öffnung 6 mit dem Innenraum des Behälters 4 verbindbar ist. Die Öffnung 6 ist durch eine erste Verschlussvorrichtung 7, die zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist, zu öffnen und zu verschließen, um den ersten Speicherbehälter 5 wahlweise mit dem Innenraum des Abscheidebehälters 4 zu verbinden bzw. ihn vom Innenraum des Abscheidebehälters 4 zu trennen.
Unterhalb der Öffnung 6 des ersten Speicherbehälters 5 ist ein vertikal verlaufender Kanal 13 vorgesehen, durch den die Schmelze oder Lösung 12 aus dem ersten Speicherbehälter 5 durch die Öffnung 6 zur Unterkante des Abscheidebehälters 4 (links unten in Fig. 1) geführt wird, in dem die Halterung 1 mit den Wafern 2 angeordnet ist. Bei aus der Vertikalen gedrehter Längsachse 3 der Halterung und damit aus der Horizontalen gekippten Substratscheiben 2 und geöffneter Öffnung 6 fließt die Schmelze oder Lösung 12 allein aufgrund der Schwerkraft aus dem ersten Speicherbehälter 5 nach unten in den Abscheidebehälter 4 und steigt in diesem von der Unterkante her auf, wie dies weiter unten anhand von Fig. 2B näher erläutert wird.
Unterhalb des Behälters 4 ist ein zweiter Speicherbehälter 8 angeordnet. Dieser zweite Schmelzenbehälter 8 soll die von den Substratscheiben 2 nach der epitaktischen Schichtabscheidung abgelassene Schmelze 12 auffangen. Hierzu weist der zweite Schmelzenbehälter 8 eine Öffnung 9 auf, die ihn mit dem Innenraum des Behälters 4 verbindet und die in einer unteren Ecke oder Kante des Behälters 4 (links unten in Fig. 1) vorgesehen ist. Zum Öffnen und Verschließen der Öffnung 9 des zweiten Schmelzenbehälters 8 ist eine zweite Verschlussvorrichtung 10 vorgesehen, die ähnlich wie die erste Verschlussvorrichtung 7 zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist.
Die gesamte Anordnung aus Abscheidebehälter 4 mit eingesetzter Halterung 1 und erstem und zweitem Speicherbehälter 5, 8 ist drehfest in einer Drehvorrichtung 11 aufgenommen. Diese Drehvorrichtung 11 ist derart drehbar, dass eine Längsachse 3 der Halterung 1 gegenüber der Vertikalen auslenkbar ist, so dass die gesamte Vorrichtung mit Halterung 1, Abscheidebehälter 4, erstem Speicherbehälter 5 und zweitem Speicherbehälter 8 um diese Längsachse 3 gedreht bzw. geneigt werden kann. Der Ausschlag der Drehvorrichtung 11 beträgt etwa 4 bis 60°, vorzugsweise 40° bis 50°.
Ist die gesamte Vorrichtung so angeordnet, dass die Längsachse 3 der Halterung 1 in der Ausgangsstellung vertikal ausgerichtet ist, so bewirkt das oben beschriebene Drehen der Vorrichtung durch die Drehvorrichtung 11 ein Neigen der Substratscheiben 12 aus der Horizontalen um den gleichen Winkel.
Sind die beiden Öffnungen 6 und 9 des ersten und des zweiten Speicherbehälters 5, 8 zur gleichen Seite der Vorrichtung bzw. des Abscheidebehälters 4 hin angeordnet, so muss die Drehvorrichtung 11 nur in eine Drehrichtung um 4° bis 60° aus der Horizontalen drehbar sein. Sind die beiden Öffnungen 6, 9 allerdings an gegenüberliegenden Seiten des Abscheidebehälters 4 vorgesehen, so ist ein Drehen der Drehvorrichtung 11 um ±4 bis ±60° erforderlich.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es für die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig ist, die gesamte Vorrichtung zu drehen. Grundsätzlich sind auch Konstruktionen denkbar, die nur ein Verkippen ausschließlich der Halterung 1 mit den Substratscheiben 2 oder nur des Behälters 4 mit eingesetzter Halterung 1 ermöglichen. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform stellt aber die konstruktiv einfachste Realisierung des Neigens der Substratscheiben 2 und des Einlaufens und Ablaufens der Schmelze oder Lösung 12 in den Abscheidebehälter 4 allein durch die Wirkung der Schwerkraft dar.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die in Fig. 1 dargestellte und oben beschriebene Gestaltung der Speicherbehälter 5, 8, der Öffnungen 6, 9 sowie der Verschlussvorrichtungen 7, 10 beschränkt. Der Fachmann wird ohne weiteres einige Varianten dieser Bauteile erkennen, die das Funktionsprinzip der Erfindung wie es in den Ansprüchen definiert ist nicht verändern.
Selbstverständlich können die Verschlussvorrichtungen 7 und 10, die Drehvorrichtung 11, das Befüllen des ersten Speicherbehälters 5 und das Entleeren des zweiten Speicherbehälters 8 sowohl manuell als auch automatisch durch eine entsprechende elektronische Steuerung gesteuert werden.
Anhand der Fig. 2A bis 2D wird nun der Fertigungsprozess einer Schichtstruktur auf einem Substrat beschrieben, wie er mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung durchführbar ist.
Fig. 2A zeigt zunächst die Ausgangsstellung der Vorrichtung. Die Substratscheiben 2 sind in der Halterung 1 in der oben beschriebenen Weise aufgenommen und die Halterung ist in den Abscheidebehälter 4 eingesetzt. Die Anordnung ist derart in der Drehvorrichtung 11 angeordnet, dass die Längsachse 3 der Halterung 1 vertikal orientiert ist.
Zu Beginn des Fertigungsverfahrens sind beide Öffnungen 6, 9 der Speicherbehälter 5, 8 durch die entsprechenden Verschlussvorrichtungen 9, 10 verschlossen. Dann wird in den ersten Speicherbehälter 5 das aufzubringende Schichtmaterial eingefüllt. Dieses Schichtmaterial kann sich entweder bereits im geschmolzenen oder gelösten Zustand befinden oder es wird erst in dem ersten Speicherbehälter 5 auf die entsprechende Schmelztemperatur erwärmt bzw. gelöst.
Anschließend wird die Drehvorrichtung 11 gegen den Uhrzeigersinn um etwa 4° bis 60° gedreht und die Öffnung 6 des ersten Speicherbehälters 5 geöffnet, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Hierdurch strömt die Schmelze oder Lösung 12 durch die Öffnung 6 und den Kanal 13 in die linke untere Kante des Abscheidebehälters 4 und steigt von dort gleichmäßig im Abscheidebehälter 4 auf. Durch die Neigung des Abscheidebehälters 4 und damit der Substratscheiben 2 steigt die Schmelze oder Lösung 12 gleichmäßig auf die Substratscheiben 2 auf, wobei Gaseinschlüsse wirksam vermieden werden.
Befindet sich eine ausreichende Menge Schmelze oder Lösung 12 in dem Abscheidebehälter 4 wird die Öffnung 6 des ersten Speicherbehälters 5 wieder durch die erste Verschlussvorrichtung 7 verschlossen und die Drehvorrichtung 11 dreht den Behälter 4 im Uhrzeigersinn wieder in die Ausgangsstellung zurück, so dass die Substratscheiben 2 wieder horizontal ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 2C zu sehen ist. Nun beginnt der Vorgang der epitaktischen Schichtabscheidung aus der Schmelze oder Lösung 12 durch deren Abkühlen. Durch die horizontale Anordnung der Substratscheiben 2 während dieser Abscheidung wird eine homogene und defektarme Schichtabscheidung auf die Substratscheiben 2 gewährleistet.
Zum Schmelzen- oder Lösungswechsel wird die Abkühlung der Schmelze oder Lösung 12 unterbrochen und die Temperatur konstant gehalten. Dann wird die Öffnung 9 des zweiten Speicherbehälters 8 unterhalb des Abscheidebehälters 4 durch die zweite Verschlussvorrichtung 10 geöffnet und die Anordnung wieder um 4 bis 15° gegen den Uhrzeigersinn aus der Vertikalen gedreht (siehe Fig. 2D). Aufgrund der Schwerkraft fließt die Schmelze 12 gleichmäßig von den Substratscheiben 2 in den zweiten Schmelzenbehälter 8 ab. Nachdem die Schmelze 12 möglichst vollständig abgeflossen ist, wird die Öffnung 9 des zweiten Speicherbehälters 8 wieder verschlossen und die Anordnung durch die Drehvorrichtung 11 wieder in die Vertikale gedreht.
Alternativ zur epitaktischen Schichtabscheidung während des Abkühlens der Schmelze oder Lösung 12 wird die Schmelze oder Lösung 12 vor Aufbringen auf die Substratscheiben 2 auf eine epitaktische Schichtabscheidetemperatur abgekühlt, dann auf die Substratscheiben 2 aufgebracht und dort während des epitaktischen Schichtabscheidens im Wesentlichen auf konstanter Temperatur belassen. Die Epitaxieschicht wächst folglich bei konstanter Temperatur der Schmelze oder Lösung 12 auf, wodurch vorteilhafterweise eine Schicht mit über deren gesamte Schichtdicke vergleichsweise konstanter Zusammensetzung erzielt wird.
Dadurch, dass das Abfließen der Schmelze oder Lösung von den Substratscheiben 2 ohne bewegte Teile, sondern allein durch Ausnutzen der Schwerkraft erfolgt, wird eine Beschädigung der Schichtoberfläche beispielsweise durch Abrieb wirksam verhindert.
Nachdem die Schmelze oder Lösung 12 abgeflossen ist, kehrt die Vorrichtung wieder in ihre Ausgangsstellung zurück und der obige Vorgang kann mit einer Schmelze oder Lösung des gleichen oder eines anderen Schichtmaterials wiederholt werden. Hierdurch ist auf einfache Weise die Fertigung einer Mehrschichtstruktur möglich. Durch die gleichzeitige Fertigung mehrerer Schichtstrukturen in einer Anordnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem für die Massenfertigung geeignet.
Die Waferdurchmesser, die auf diese Weise bearbeitet werden können, betragen bevorzugt bis zu 100 mm und mehr. Es können aber grundsätzlich Wafer beliebiger Durchmesser bearbeitet werden; eine Limitierung ist prinzipiell nur durch den Reaktordurchmesser gegeben. Außerdem können mit diesem Verfahren auch III-V-Materialsysteme verarbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenabscheidung, mit den Verfahrensschritten:

a) Anordnen mehrerer Substratscheiben (2) zu einem Substratstapel, in dem die Substratscheiben mit einem jeweiligen Abstand voneinander vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind;

b) Schwenken der Gesamtheit der Substratscheiben (2) aus der Horizontalen;

c) Einlaufenlassen einer Schmelze oder Lösung (12) eines aufzubringenden Schichtmaterials in den Substratstapel;

d) Schwenken der Gesamtheit der Substratscheiben zurück in die Horizontale;

e) Abscheiden einer Schicht aus der Schmelze oder Lösung (12) des Schichtmaterials auf den Substratscheiben (2);

f) Schwenken der Gesamtheit der Substratscheiben (2) aus der Horizontalen; und

g) Ablaufenlassen der Schmelze oder Lösung (12) von den Substratscheiben (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter, in den die Schmelze oder Lösung (12) eingeleitet wird, entlang einer Längsachse des Behälters eine Mehrzahl von Substratstapel nebeneinander angeordnet werden und der Behälter zum Schwenken der Substratscheiben um seine Längsachse geschwenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (a) bis (g) wiederholt werden, um auf die Substratscheiben (2) eine Mehrschichtstruktur aufzubringen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (a) bis (g) mit unterschiedlichen Schichtmaterialien wiederholt werden, um auf die Substratscheiben (2) eine Mehrschichtstruktur mit mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien aufzubringen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheiben (2) im Verfahrensschritt (b) um etwa 4 bis 60° gegenüber der Horizontalen gekippt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheiben (2) im Verfahrensschritt (f) um etwa 4 bis 60° gegenüber der Horizontalen gekippt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Abscheiden der Schicht aus der Schmelze oder Lösung (12) in Verfahrensschritt (e) durch Abkühlen der Schmelze oder Lösung (12) erfolgt;
dass vor Verfahrensschritt (f) das Abkühlen der Schmelze oder Lösung (12) angehalten und die Temperatur der Schmelze oder Lösung (12) konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze oder Lösung (12) vor Einlaufenlassen in den Substratstapel (Schritt (c)) auf eine Schichtabscheidetemperatur abgekühlt wird, in Schritt (e) auf konstanter Temperatur gehalten wird.

9. Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenabscheidung, mit
einer Halterung (1) zur Aufnahme mehrerer Substratscheiben (2), in der die Substratscheiben mit einem jeweiligen Abstand voneinander vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind;
einem Abscheidebehälter (4), in den die Halterung (1) einsetzbar ist;
einem ersten Speicherbehälter (5) zur Aufnahme einer Schmelze oder Lösung (12) eines aufzubringenden Schichtmaterials, der mit dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) verbindbar ist; und
einem zweiten Speicherbehälter (8) zum Auffangen der von den Substratscheiben (2) nach einem Abscheidevorgang abgelassenen Schmelze oder Lösung (12), der mit dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) verbindbar ist;
wobei zumindest die Halterung (1) derart verkippbar ist, dass die Substratscheiben gegenüber der Horizontalen schräggesellt werden können.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidebehälter (4) einschließlich der Halterung (1) und dem ersten und zweiten Speicherbehälter (5, 8) um eine horizontal verlaufende Achse (3) drehbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheiben (2) etwa 4 bis 60° aus der Horizontalen verkippbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einlaß-Verschlussvorrichtung (7), die zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist, um den ersten Speicherbehälter (5) von dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) zu trennen bzw. ihn mit dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) zu verbinden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Auslaß-Verschlussvorrichtung (10), die zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist, um den zweiten Speicherbehälter (8) von dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) zu trennen bzw. ihn mit dem Innenraum des Abscheidebehälters (4) zu verbinden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicherbehälter (5) oberhalb und der zweite Speicherbehälter (8) unterhalb des Abscheidebehälters (4) angeordnet sind.