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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie
gemäß Patentanspruch
1 bzw. 9, und insbesondere ein derartiges Verfahren und eine derartige
Vorrichtung, die auch für
die Massenfertigung geeignet sind.
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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.
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Zur
Fertigung von Ein- und Mehrschichtstrukturen auf Substraten mittels
Flüssigphasenepitaxie
sind bereits verschiedene Verfahren und entsprechende Vorrichtungen
bekannt.
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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.
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Aus
der
JP 02271993 A ist
eine Vorrichtung bekannt, die einen Bereich für ein Grundmaterial und einen
Bereich für
ein Substrat aufweist, wobei die beiden Bereiche durch einen Vorsprung
voneinander getrennt sind. Auf dem Substrat wird mittels Flüssigphasenepitaxie
eine Schicht aufgewachsen. Zum Aufbringen des Grundmaterials auf
das Substrat wird die Vorrichtung gekippt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. Eine solche Anlage, in der eine
Mehrzahl von Wafern in einem speziell geformten Halter untergebracht
sind, ist aus der
US 5,922,126 bekannt.
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Selbst
durch geeignete Maßnahmen,
wie zum Beispiel keilförmige
Schmelzspalten oder eine geeignete Anordnung der Wafer, lassen sich
diese Probleme nicht vollständig
beseitigen. Eine Vorrichtung, bei der die Wafer statisch und relativ
zur Horizontalen leicht geneigt angeordnet sind, ist in der
JP 04 240 184 beschrieben.
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Aus
der
JP 59-116 190
A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Wafer beim
Einlaufen der Schmelze vertikal angeordnet sind, während der
Abscheidung horizontal und beim Ablaufen der Schmelze wieder vertikal
angeordnet sind. Die oben genannten mit vertikalen Schmelzkammern
verbundenen Probleme treten auch hier während des vertikalen Einlaufens
der Schmelze auf. Zusätzlich
entstehen starke Turbulenzen in der Schmelze bei vertikaler Anordnung
der Wafer während
des Einlaufens, die Schichtinhomogenitäten in den Epitaxieschichten verursachen
können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Waferdurch messer
von über
3 Inch (7,6 cm) und auch für
das III–V-Materialsystem
(z. B. GaAs) einsetzbar sein.
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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 angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Fertigung von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie
weist eine Halterung zur Aufnahme mehrerer Substratscheiben bzw.
Wafer auf, die in einen Abscheidebehälter, beispielsweise 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
Abscheidebehälters
verbindbar ist, und ein zweiter Speicherbehälter zum Auffangen der von
den Substratscheiben nach einem Abscheidevorgang abgelassenen Schmelze
oder Lösung,
der mit dem Innenraum des Abscheidebehälters verbindbar ist, vorgesehen.
Der erste Speicherbehälter
ist oberhalb und der zweite Speicherbehälter ist unterhalb des Abscheidebehälters angeordnet.
Außerdem
umfasst die Vorrichtung eine Einlaß-Verschlussvorrichtung, die
zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist,
um den ersten Speicherbehälter von
dem Innenraum des Abscheidebehälters
zu trennen oder ihn mit dem Innenraum des Abscheidebehälters zu
verbinden, sowie eine Auslaß-Verschlussvorrichtung,
die zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar
ist, um den zweiten Speicherbehälter
von dem Innenraum des Abscheidebehälters zu trennen oder ihn mit
dem Innenraum des Abscheidebehälters
zu verbinden. Zumindest die Halterung ist derart verkippbar, dass
die Substratscheiben gegenüber
der Horizontalen schräggestellt werden
können.
Ferner sind der Abscheidebehälter einschließlich der
Halterung und dem ersten und zweiten Speicherbehälter um eine horizontal verlaufende
Achse drehbar.
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Zur
Durchführung
der LPE ist zumindest die Längsachse
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.
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Zum
Aufbau einer Mehrschichtstruktur 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°.
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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.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Fertigung
von Schichtstrukturen auf Substraten mittels Flüssigphasenepitaxie gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2A bis 2D verschiedene
schematische Darstellungen der Vorrichtung von 1 zur
Erläuterung
des zeitlichen Ablaufs des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
zunächst
schematisch der Aufbau einer Vorrichtung zur Fertigung von Schichtstrukturen
auf Substraten mittels LPE gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt.
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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.
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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.
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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 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 2B näher erläutert wird.
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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 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.
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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°.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die in 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.
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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.
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Anhand
der 2A bis 2D wird
nun der Fertigungsprozess einer Schichtstruktur auf einem Substrat
beschrieben, wie er mit der in 1 gezeigten
Vorrichtung durchführbar
ist.
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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.
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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.
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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 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.
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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 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.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.