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Die Erfindung betrifft einen Reaktor
und ein Verfahren zum flüssigphasenepitaktischen
Aufwachsen einer oder mehrerer monokristalliner Schichten auf ein
Halbleitersubstrat, beispielsweise ein Substrat eines III-V-Halbleiters,
wie GaAs.
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Für
die Flüssigphasenepitaxie
ist beispielsweise der Einsatz eines Horizontalreaktors mit Eintauchtechnik
bekannt, bei dem die Substrate an einem Substrathalter oberhalb
eines Tiegels mit verschiedenen Schmelzkammern angeordnet sind.
Der Substrathalter wird über
dem Schmelztiegel in horizontaler Richtung verfahren. Sobald die
Substrate sich auf Höhe
der erwünschten
Schmelzkammer befinden, werden sie durch vertikale Bewegung des Substrathalters
in die Schmelze eingetaucht und durch nachfolgende Aufwärtsbewegung
wieder von der Schmelze getrennt. Durch Anfahren mehrerer Schmelzkammern
können
nacheinander Schichten mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung
abgeschieden werden, um auf den Substraten eine Mehrfachschichtstruktur
zu erzeugen. Nachteilig an diesem Horizontalreaktor jedoch ist,
dass nur Substrate einer begrenzten Größe bearbeitet werden können, da
aufgrund der zweidimensionalen Substratbewegung ansonsten das Volumen
des Reaktors zu groß ist,
so dass Wärmekonvektionen
ein gleichmäßiges Schichtwachstum
verhindern. Dadurch ermöglicht
diese Technologie nicht den Einsatz größerer GaAs-Substrate als 2,5"
(= 63,5 mm).
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Ferner ist ein Vertikalreaktor mit
vertikalem Schmelzdurchfluss bekannt. Bei diesem befindet sich die
Schmelze in einem Schmelztiegel oberhalb einer Anordnung von mehreren
horizontal ausgerichteten, übereinandergestapelten
Substraten. Die Schmelze fließt
aufgrund der Gravitation nach unten, wobei die Substrate nacheinander
benetzt werden. Diese Reaktortechnologie ermöglicht zwar eine hohe Kapazität, also
eine hohe Anzahl von Substraten, die innerhalb eines einzigen Prozesses
gemeinsam bearbeitet werden können.
Allerdings ist es bei diesem Vertikalreaktor schwierig, die Substrate
von der Schmelze zu trennen, so dass die Schichtdicke nicht beliebig
eingestellt werden kann und zusätzliche Schichten
nicht ohne weiteres abgeschieden werden können.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
somit darin, einen verbesserten Reaktor und ein verbessertes Verfahren
zum flüssigphasenepitaktischen
Aufwachsen einer oder mehrerer monokristalliner Schichten auf ein
Halbleitersubstrat zu schaffen. Insbesondere soll auch bei großen Substraten
und bei einer großen
Reaktorkapazität
das Aufwachsen von Mehrschichtstrukturen möglich sein.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der unabhängigen
Ansprüche
1 und 26 gelöst,
und insbesondere dadurch, dass die Schmelze zunächst innerhalb eines Zwischenlagerbereichs
einer Wachstumskammer gesammelt wird, dass die Schmelze anschließend in
einem Aufwachsbereich der Wachstumskammer, in dem wenigstens ein
Substrat gelagert ist, gesammelt wird, um an dem Substrat eine Kristallschicht
aufzuwachsen, und dass danach die Schmelze wieder in dem Zwischenlagerbereich
der Wachstumskammer gesammelt wird.
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Erfindungsgemäß ist also eine Wachstumskammer
mit einem Aufwachsbereich vorgesehen, in dem ein oder mehrere Substrate
in fester Lage angeordnet sind. Die Schmelze wird zunächst in
einem Zwischenlagerbereich der Wachstumskammer gesammelt. Zum Aufwachsen
einer Kristallschicht auf die Substrate wird die Schmelze zeitweilig
aus dem Zwischenlagerbereich in den Aufwachsbereich überführt..
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Wichtig ist, dass die Schmelze hierbei
eine im Wesentlichen seitliche Bewegung durchführt, so dass auch eine Mehrzahl
von Substraten und größere Substrate
leicht und schnell mit der Schmelze benetzt werden können und
die Schmelze zu einem vorgebbaren späteren Zeitpunkt auch einfach
und sicher wieder von den Substraten abgeführt werden kann. Die hierfür erforderliche
Seitwärtsbewegung der
Schmelze wird in vorteilhafter Weise durch ein Verkippen oder Verschwenken
der Wachstumskammer erreicht, so dass aufgrund der an der Schmelze wirkenden
Schwerkraft die Schmelze in den jeweils vorgesehenen Bereich der
Wachstumskammer fließt.
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Soweit im Zusammenhang mit der Erfindung das
Sammeln von Schmelze in dem Zwischenlagerbereich oder dem Aufwachsbereich
genannt ist, so betrifft dies vorzugsweise die gesamte, innerhalb
der Wachstumskammer befindliche Schmelze. Allerdings ist es ausreichend,
wenn zumindest der überwiegende
Teil der Schmelze in dem betreffenden Bereich gesammelt wird.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, dass für
die Wachstumskammer lediglich ein geringes Volumen ausreichend ist,
da innerhalb der Wachs tumskammer keine Bewegung der Substrate erforderlich ist.
Dadurch werden Probleme der Wärmekonvektion,
die dem Einsatz großer
Substratgrößen entgegenstehen
könnten,
vermieden. Somit ermöglicht
die Erfindung die Bearbeitung von sehr unterschiedlichen und auch
von sehr großen
Substratgrößen, für GaAs beispielsweise
bis zu 4" (= 101,6 mm) oder sogar 6" (= 152,4 mm). Damit kann die
Ausbeute gegenüber
herkömmlichen
Technologien, die beispielsweise bis zu 2,5" (= 63,5 mm) große Substrate
erlauben, wesentlich gesteigert werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass – wie
bereits erwähnt – auch Mehrschichtstrukturen
ohne weiteres erzeugt werden können,
beispielsweise mit vier oder fünf
unterschiedlichen Kristallschichten aufeinander. Dies ist beispielsweise
für die
Herstellung von Infrarot-LED's
für den Einsatz
zur Datenübertragung
mit hohen Lichtleistungen und Modulationsfrequenzen wichtig, da
derartige Schichtstrukturen mit einer Doppelheterostruktur versehen
werden müssen.
Die Erzeugung derartiger Mehrschichtstrukturen erfolgt auf einfache
Weise durch Wiederholen der genannten Aufwachsschritte für die verschiedenen
Schichten nacheinander mit unterschiedlichen Schmelzen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht schließlich
in der hohen Flexibilität
hinsichtlich der Behandlung unterschiedlicher Substrate, also unterschiedlicher
Materialien und unterschiedlicher Substratgrößen. Der erfindungsgemäße Reaktor
ist somit sehr vielseitig anwendbar.
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Vorzugsweise wird für die Bewegung
der Schmelze zwischen dem Zwischenlagerbereich und dem Aufwachsbereich
die Wachstumskammer um eine horizontale Achse verkippt. Der Reaktor
kann einen Träger
aufwei sen, an dem die Wachstumskammer verkippbar gelagert ist, beispielsweise
an zwei gegenüberstehenden
Lagereinrichtungen. Ferner kann eine Antriebseinrichtung vorgesehen
sein, die an der Wachstumskammer angelenkt ist, um die Wachstumskammer
zu der erwünschten
Kippbewegung antreiben zu können.
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Das Substrat oder die mehreren Substrate sind
innerhalb des Aufwachsbereichs der Wachstumskammer, wie bereits
erwähnt,
vorzugsweise in einer fixen Anordnung vorgesehen, so dass kein Mechanismus
für eine
zusätzliche
Bewegung der Substrate erforderlich ist und kein entsprechender
Raumbedarf besteht.
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Es ist bevorzugt, wenn die Wachstumskammer
im Aufwachsbereich eine oder mehrere Halteeinrichtungen zur Befestigung
der Substrate oder zur Befestigung von Substratträgern besitzt.
Diese Halteeinrichtung kann beispielsweise eine einfache Befestigungsnut
an der Wand oder am Boden der Wachstumskammer aufweisen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn
der verwendete Reaktor oberhalb der Wachstumskammer einen Schmelztiegel
zum Schmelzen und Homogenisieren von Schmelze aufweist, aus dem
Schmelze in die Wachstumskammer überführt werden
kann. Dies ist dann auf einfache Weise aufgrund der an der Schmelze
wirkenden Schwerkraft möglich.
Vorzugsweise besitzt dieser Schmelztiegel mehrere Schmelzkammern
zum Schmelzen und Homogenisieren von unterschiedlichen Schmelzen,
die nacheinander in die Wachstumskammer eingefüllt werden können, um
an demselben Substrat mehrere unterschiedliche Kristallschichten
aufzuwachsen.
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Weiterhin kann unterhalb der Wachstumskammer
ein Auffangtiegel vorgesehen sein, in den die nach einem Aufwachsvorgang
in der Wachstumskammer verbleibende Schmelze abgelassen werden kann.
Auch ein derartiger Auffangtiegel kann mehrere Auffangkammern aufweisen,
um bei dem Aufwachsen von Mehrschichtstrukturen unterschiedliche Schmelzen
separat aufnehmen zu können.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
genannt. Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutert;
in diesen zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Reaktors,
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2 und 3 Teile dieses Reaktors während des
Sammelns von Schmelze in einem Aufwachsbereich bzw. einem Zwischenlagerbereich,
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4 einen
Schmelztiegel in Draufsicht, und
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5a und 5b verschiedene Substratträger.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Reaktors zur Flüssigphasenepitaxie an Halbleitersubstraten.
Dieser Reaktor besitzt eine im Wesentlichen quaderförmige Wachstumskammer 11 aus
Grafit, die – wie
durch gestrichelte Linien gezeigt -einen Zwischenlagerbereich 13 und
einen Aufwachsbereich 15 aufweist.
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An der Oberseite des Zwischenlagerbereichs 13 besitzt
die Wachstumskammer 11 eine Einfüllöffnung 17. An der
Unterseite des Zwischenlagerbereichs 13 besitzt die Wachstumskammer 11 eine Vertiefung,
die in eine Auslassöffnung 19 mündet. Diese
ist durch eine nach unten vorgespannte Grafitkugel 21 verschlossen.
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Innerhalb des Aufwachsbereichs 15 der Wachstumskammer 11 sind
mehrere Substratteller 23 mit darin eingebetteten Halbleitersubstraten 25 in fixer
Anordnung befestigt, wobei die Substratteller 23 parallel
zueinander und parallel zu dem Boden der Wachstumskammer 11 ausgerichtet
sind. Die Substratteller 23 werden von einer Halteeinrichtung 27 gehalten,
die durch eine Verstärkung
der stirnseitigen Wand der Wachstumskammer 11 gebildet
ist und mehrere Befestigungsnuten 29 aufweist, in die jeweils
ein Substratteller 21 eingeführt ist.
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An zwei einander gegenüberstehenden
Lagereinrichtungen 31 ist die Wachstumskammer 11 um
eine horizontale Achse verkippbar gelagert.
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An der Unterseite des Aufwachsbereichs 15 ist
an der Wachstumskammer 11 ein Antriebsstab 33 angelenkt,
der mit einem in den Figuren nicht gezeigten elektrischen Exzenterantrieb
verbunden ist und die Wachstumskammer 11 zu einer Kippbewegung anzutreiben
vermag.
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In dem in 1 gezeigten Zustand des Reaktors befindet
sich die Wachstumskammer 11 in einer Bereitschaftsposition,
in der sie in Richtung des Zwischenlagerbereichs 13 verkippt
ist. Eine in der Wachstumskammer 11 befindliche Schmelze 35 befindet
sich demzufolge ausschließlich
in dem Zwischenlagerbereich 13.
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Der in 1 gezeigte
Reaktor weist ferner oberhalb der Wachstumskammer 11 einen
Schmelztiegel 37 aus Grafit zum Schmelzen und Homogenisieren
von Schmelze 35 auf. Der Schmelztiegel 37 besitzt
eine zylindrische Grundform. Er ist in sechs Schmelzkammern 39 unterteilt.
Diese schließen
sich an einen zentralen Hohlschaft 41 an und besitzen in der
Draufsicht gemäß 4 jeweils eine Kreissegmentform.
Jede Schmelzkammer 39 besitzt an ihrer Unterseite eine
Abgabeöffnung
(in den Figuren nicht gezeigt). Der Schmelztiegel 37 ist
durch eine in den Figuren nicht gezeigte Antriebseinrichtung zu
einer Drehbewegung um eine zentrale Vertikalachse bzw. um die Achse
des Hohlschafts 31 antreibbar.
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An die Unterseite des Schmelztiegels 37 schließt sich
eine Drehscheibe 43 aus Grafit an, die eine Durchlassöffnung 45 und
einen geschlossenen Sperrabschnitt 47 aufweist. Die Drehscheibe 43 kann – unabhängig von
einer Drehung des Schmelztiegels 37 – um dieselbe Vertikalachse
gedreht werden, um wahlweise die Durchlassöffnung 45 oder den
Sperrabschnitt 47 mit der Abgabeöffnung einer Schmelzkammer 39 zur
Deckung zu bringen.
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Unterhalb dieser möglichen
Anordnung aus Abgabeöffnung
der Schmelzkammer 39 und Durchlassöffnung 45 der Drehscheibe 43 befindet
sich ein Führungsrohr 49,
das an die Einfüllöffnung 17 der Wachstumskammer 11 mündet, sofern
die Wachstumskammer 11 sich in der Bereitschaftsposition
gemäß 1 befindet.
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Unterhalb der Wachstumskammer 11 befindet
sich ein Auffangtiegel 51, der zum Aufnehmen der aus der
Wachstumskammer 11 abgegebenen Schmelze 35 vorgesehen
ist. Auch der Auffangtiegel 51 besitzt sechs Auffangkammern 53 zum
Aufnehmen unterschiedlicher Schmelzen 35. Der Auffangtiegel 51 kann
um eine zentrale Vertikalachse gedreht werden, und zwar synchronisiert
zu einer Drehbewegung des Schmelztiegels 37.
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Ferner ist ein Führungsrohr 55 vorgesehen, das
die Auslassöffnung 19 der
Wachstumskammer 11 mit einer zugeordneten Auffangkammer 53 des Auffangtiegels 51 verbindet,
sofern die Wachstumskammer 11 sich in der in 1 gezeigten Bereitschaftsposition
befindet. Innerhalb des Führungsrohrs 55 befindet
sich ein Betätigungsstab 57,
der vertikal nach oben bewegt werden kann, um die Grafitkugel 21 nach
oben zu stoßen
und somit die Auslassöffnung 19 der
Wachstumskammer 11 zu öffnen.
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Der in 1 gezeigte
Reaktor funktioniert wie folgt:
In den Schmelzkammern 39 des
Schmelztiegels 37 können
verschiedene Schmelzen 35 homogenisiert werden.
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Indem durch Drehung des Schmelztiegels 37 und
Drehung der Drehscheibe 43 die Abgabeöffnung einer gewünschten
Schmelzkammer 39 und die Durchlassöffnung 45 der Drehscheibe 43 in
Flucht mit dem Führungsrohr 49 gebracht
werden, kann die betreffende Schmelze durch das Führungsrohr 49 und über die
Einfüllöffnung 17 in
die Wachstumskammer 11 überführt werden.
Durch Eindrehen des Sperrabschnitts 47 in den Zwischenraum
zwischen der Abgabeöffnung
einer Schmelzkammer 39 und dem Führungsrohr 49 wird
das Einfließen
von Schmelze 35 in die Wachstumskammer 11 dagegen unterbunden.
Die Drehscheibe 43 wirkt also als Schließeinrichtung,
durch die das Einfüllen
von Schmelze 35 aus dem Schmelztiegel 37 in die Wachstumskammer 11 wahlweise
ermöglicht
oder unterbrochen werden kann.
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Die Wachstumskammer 11 befindet
sich dabei in der in 1 gezeigten
Bereitschaftsposition, so dass die eingefüllte Schmelze 35 in
dem Zwischenlagerbereich 13 gesammelt wird.
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Anschließend wird die Wachstumskammer 11 mittels
des Antriebsstabs 33 um die durch die Lagereinrichtungen 31 vorgegebene
Schwenkachse in eine Aufwachsposition verkippt, wie in 2 gezeigt. Dies bewirkt,
dass die Schmelze 35 zu einem überwiegenden Teil in den Aufwachsbereich 15 der Wachstumskammer 11 fließt. Dadurch
werden die Substrate 25 von der Schmelze 35 benetzt,
so dass an jedem Substrat 25 eine zusätzliche Kristallschicht abgeschieden
wird. Das Kristallwachstum kann auf an sich bekannte Weise mittels
einer Temperatursteuereinrichtung gesteuert werden, die eine in
den Figuren nicht gezeigte Heizeinrichtung zur zwischenzeitlichen
Abkühlung
der Schmelze 35 ansteuert.
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Nach Erreichen des erwünschten
Kristallwachstums oder nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls
wird die Wachstumskammer 11 mittels des Antriebsstabs 33 in
die Bereitschaftsposition zurückgekippt.
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3 zeigt
die Wachstumskammer 11, die somit wieder in Richtung des
Zwischenlagerbereichs 13 geneigt ist. Nun wird auch die
als Schließeinrichtung
wirkende Grafitkugel 21 mittels des Betätigungsstabs 57 nach
oben aus der Auslassöffnung 19 weggedrückt. Die
Schmelze 35 kann somit aus dem Aufwachsbereich 15 in
den Zwischenlagerbereich 13 und von dort über die
Auslassöffnung 19 in
das Führungsrohr 55 fließen. Auf diesem
Weg gelangt die Schmelze in die zugeordnete Auffangkammer 53 des Auffangtiegels 51.
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Die erläuterten Schritte des Einfüllens von Schmelze 35 in
den Zwischenlagerbereich 13, des nachfolgenden Sammelns
der Schmelze 35 in dem Aufwachsbereich 15 durch
Verkippen der Wachstumskammer 11, und des anschließenden Abgebens der
verbleibenden Schmelze 35 in den Auffangtiegel 51 können nacheinander
für unterschiedliche Schmelzen 35 wiederholt
werden, um hierdurch mehrere verschiedene Kristallschichten an den
Substraten 25 aufzuwachsen. Die jeweils vorgesehenen Schmelzen 35 werden
zu diesem Zweck jeweils in einer zugeordneten Schmelzkammer 39 des
Schmelztiegels 37 geschmolzen und homogenisiert, bzw. in einer
zugeordneten Auffangkammer 53 des Auffangtiegels 51 wieder
aufgenommen, wobei der synchronisierte Drehantrieb von Schmelztiegel 37 und
Auffangtiegel 51 dafür
sorgt, dass die Zuordnung der Schmelzen 35 zu den Schmelzkammern 39 und
den Auffangkammern 53 korrekt beibehalten wird.
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Somit ermöglicht der in 1 bis 3 gezeigte Reaktor
und das im Zusammenhang mit diesem Reaktor erläuterte Verfahren ein Aufwachsen
von Kristallschichten auf mehrere Halbleitersubstrate 25 gleichzeitig.
Der Reaktor kann dabei mit einer hohen Kapazität, also einer großen Anzahl
von Substraten 25 betrieben werden. Die Wachstumskammer 11 kann
nämlich
zu einem großen
Anteil mit den Substraten 25 bestückt werden, da kein Freiraum
für eine Bewegung
der Substrate 25 oder für
eine entsprechende Transportvorrichtung erforderlich ist, und da der
weitere Innenraum der Wachstumskammer 11 somit lediglich
für die
Zwischenlagerung der Schmelze 35 in dem Zwischenlagerbereich 13 erforderlich ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass an den Substraten 25 nacheinander mehrere
Schichten unterschiedlicher Materialzusammensetzung abgeschieden
werden können,
um Mehrschichtstrukturen zu erzeugen. Das Benetzen der Substrate
mit Schmelze 35 und das anschließende Abführen der Schmelze 35 von
den Substraten 25 kann aufgrund der beschriebenen Kipptechnik
auf schnelle und kontrollierte Weise erfolgen, und das Aufwachsen
zusätzlicher
Kristallschichten kann somit problemlos für unterschiedliche Schmelzen
nacheinander durchgeführt
werden.
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Schließlich ist zu dem gezeigten
Reaktor und dem erläuterten
Epitaxieverfahren noch folgendes anzumerken:
Die Substrate 25 bzw.
die Substratteller 23 können auch
in einer anderen Ausrichtung in der Wachstumskammer 11 angeordnet
sein, beispielsweise in einer vertikalen Ausrichtung parallel zueinander
oder in einer Ausrichtung derart, dass die Substrate 25 in der
Aufwachsposition der Wachstumskammer 11 gemäß 2 horizontal ausgerichtet
sind.
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5a und 5b zeigen, dass die Substratteller 23 wahlweise
mit einzelnen großen
Substraten 25 von beispielsweise 4" (= 101,6 mm) oder mehreren kleineren
Substraten 25 von 2" (= 50,8 mm) bestückt werden können. Der
erfindungsgemäße Reaktor
ist also hinsichtlich der Größe und der
Art der Substrate 25 flexibel einsetzbar.
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Ferner ist anzumerken, dass die erläuterte Unterteilung
der Wachstumskammer 11 in den Zwischenlagerbereich 13 und
den Aufwachsbereich 15 eine beliebige Form einnehmen kann,
wobei die beiden Bereiche 13, 15 auch ineinander übergehen
können.
Wichtig ist jedoch, dass in der Bereitschaftsposition und der Aufwachsposition
der Wachstumskammer 11 jeweils ein vorgegebener Aufenthaltsort
der Schmelze 35 definiert ist, um eine kontrollierte Benetzung
der Substrate 25 mit der Schmelze 35 durchführen zu
können.
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Außerdem muss die Wachstumskammer 11 selbstverständlich nicht
unbedingt quaderförmig sein.
Stattdessen ist beispielsweise auch eine Zylinderform denkbar, oder
der Umriss eines umgekehrten "V". Die letztgenannte Ausgestaltung
kann gewährleisten,
dass mit dem Verkippen der Wachstumskammer 11 zwischen
der Bereitschaftsposition und der Aufwachsposition jeweils die gesamte Schmelze 35 entweder
ausschließlich
in dem Zwischenlagerbereich 13 oder in dem Aufwachsbereich 15 angeordnet
ist.
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- 11
- Wachstumskammer
- 13
- Zwischenlagerbereich
- 15
- Aufwachsbereich
- 17
- Binfüllöffnung
- 19
- Auslassöffnung
- 21
- Grafitkugel
- 23
- Substratteller
- 25
- Substrat
- 27
- Halteeinrichtung
- 29
- Befestigungsnut
- 31
- Lagereinrichtung
- 33
- Antriebsstab
- 35
- Schmelze
- 37
- Schmelztiegel
- 39
- Schmelzkammer
- 41
- Hohlschaft
- 43
- Drehscheibe
- 45
- Durchlassöffnung
- 47
- Sperrabschnitt
- 49
- Führungsrohr
- 51
- Auffangtiegel
- 53
- Auffangkammer
- 55
- Führungsrohr
- 57
- Betätigungsstab