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Verfahren und Vorrichtung zum Aufdampfen von Schichten aus einer bei
Aufdampftemperatur nicht beständigen, als Halbleiter-Grundstoff verwendbaren stöchiometrisch
genau bestimmten Mehrstoffverbindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
die Herstellung von Halbleiterkörpern, die insbesondere für Hallspannungs- oder
-stromgeneratoren oder auch für in ihrem Widerstandswert durch ein äußeres magnetisches
Feld zu steuernde Halbleiteranordnungen Verwendung finden sollen, wobei der Halbleiterkörper
aus einem Werkstoff besteht, der seinem chemischen Aufbau nach eine Mehrstoffverbindung
ist. Insbesondere kommen als Mehrstoffverbindungen sogenannte Zweistoffverbindungen
in Frage, deren eine Komponente z. B. der 11I. Gruppe und deren andere Komponente
der V. Gruppe des periodischen Systems angehört. Solche Stoffe sind z. B. Indiumantimonid
und Indiumarsenid. Vielfach liegt der Wunsch vor, eine solche Halbleiterschicht
mit möglichst geringer Dicke herzustellen. Die Halbleiterschicht kann zu diesem
Zweck durch einen Aufdampfprozeß auf einem Träger aufgebracht werden, indem die
Mehrstoffverbindung in einem Verdampfer untergebracht wird, der einer entsprechenden
Beheizung für den Verdampfungsvorgang unterworfen wird. Bei der Durchführung eines
solchen Aufdampfvorganges zeigt es sich nun, daß wegen der verschiedenen Dampfdrücke
der einzelnen Komponenten der Mehrstoffverbindung beim Niederschlagen der Verbindung
aus der Dampfphase auf dem Träger im allgemeinen keine stöchiometrisch einwandfreie
Schicht mit homogener Verteilung entsteht. Entsprechend den verschiedenen Dampfdrücken
der Komponenten ergibt sich vielmehr eine Schichtung der beiden Komponenten, wobei
die leichter verdampfende Komponente die zuerst auf dem Träger niedergeschlagene
Schicht und die schwerer verdampfende die auf dieser Schicht niedergeschlagene zweite
Schicht bildet. Im allgemeinen tritt keine scharfe Begrenzung der beiden Schichten
ein, sondern es ergibt sich ein mehr oder weniger kontinuierlicher Übergang zwischen
den Schichten aus den beiden Komponenten. Es ist dann in einem solchen Falle erforderlich,
das auf dem Träger niedergeschlagene Produkt einer thermischen Behandlung zu unterwerfen,
damit die einwandfreie stöchiometrische Verbindung in möglichst homogener Verteilung
gebildet wird. Dieser Prozeß ist jedoch wegen der weitgehenden Trennung der beiden
Komponenten relativ schwierig durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufdampfen
von Schichten aus einer bei Aufdampftemperatur nicht beständigen, als Halbleiter-Grundstoff
verwendbaren, stöchiometrisch genau bestimmten Mehrstoffverbindung, insbesondere
einer Zweistoffverbindung aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen
Systems, auf einen Träger, wobei die zu kondensierende Verbindung selbst als Ausgangsstoff
verdampft und nach Abschluß der Aufdampfung eine homogenisierende Behandlung vorgenommen
wird. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß der Aufdampfvorgang stufenweise
mit jeweils einem in dosierter Menge in den Verdampfertiegel eingebrachten Bruchteil
der insgesamt zu verdampfenden Menge der Verbindung vorgenommen wird. Die Aufdampfung
wird vorzugsweise in etwa 10 oder mehr Stufen vorgenommen. Nach Durchführung des
Aufdampfvorganges in einer Vielzahl von Stufen ergibt sich somit auf dem Träger
ein Schichtensystem, welches aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schichten besteht,
von denen z. B. bei Verdampfung einer Zweistoffverbindung die eine Schicht jeweils
vorwiegend aus der einen Komponente und die benachbarte Schicht vorwiegend aus der
anderen Komponente der verdampften Verbindung besteht. Wird dieses Schichtensystem
zur Homogenisierung einer thermischen Behandlung unterworfen, so ist zu übersehen,
daß die einzelnen Komponenten auf einem wesentlich kürzeren Wege unmittelbar miteinander
in Beziehung treten können und gewissermaßen eine Anordnung vorliegt, in welcher
eine bestimmte Vorverteilung der einzelnen Komponenten stattgefunden hat nach Art
eines physikalischen Mischvorganges. Halbleiterkörper, welche auf diese Weise hergestellt
werden, weisen eine einwandfreiere Stöchiometrie und Homogenität auf, als es erreichbar
ist, wenn der Halbleiterkörper aus einer chemischen Verbindung des Verdampfers in
einem einzigen Aufdampfvorgang aufgebracht und entsprechend thermisch für die Herbeiführung
der stöchiometrischen
Verbindung behandelt wird. Die Untersuchungen
haben auch ergeben, daß bei dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren die bei der thermischen
Behandlung angewandte Temperatur niedriger gewählt werden kann, als sie im anderen
Falle erforderlich ist. Das hat den Vorzug, daß man bei diesem Verfahren die Temperaturbehandlung
gegebenenfalls bei einer Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes der Verbindung
vornehmen kann, während es im anderen Falle erforderlich ist, die aufgedampfte Schicht
in den schmelzflüssigen Zustand überzuführen, damit eine einwandfreie Herstellung
bzw. Formierung des Halbleiterkörpers erreicht werden kann.
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Nach dem allgemeinen Grundgedanken der Erfindung könnte für deren
Durchführung beispielsweise derart vorgegangen werden, daß nach jedem einzelnen
Aufdampfungsvorgang von außen in den Verdampfungsbehälter die entsprechende weitere
Menge der chemischen Verbindung für die Durchführung der nachfolgenden Aufdampfungsstufe
eingebracht wird. Das würde aber zu besonderen Weiterungen Anlaß geben, denn es
müßte dann in jedem Falle der Innenraum des Behälters, in welchem der Aufdampfungsvorgang
vorgenommen wird, jeweils wieder erst auf den Druck von z. B. etwa 10-6 Torr abgesenkt
werden, bei welchem der Aufdampfungsvorgang durchgeführt wird. Außerdem würde jeweils
die frisch aufgedampfte Schicht mit der Außenluft in Berührung kommen, so daß eine
nachteilige Beeinflussung ihrer Oberfläche z. B. in Form einer Oxydation stattfinden
kann. Solchen Mangelerscheinungen kann jedoch dadurch vorgebeugt werden, daß die
aufeinanderfolgenden Aufdampfungsstufen ohne Öffnung des Rezipienten stattfinden,
in welchem der Aufdampfungsvorgang durchgeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Erreichung dieses Zweckes z. B. derart vorgegangen,
daß eine Hilfseinrichtung in dem Verdampfer angeordnet wird, die eine entsprechende
Anzahl von kleinen Mengen der chemischen Verbindung in einzelnen Vorratsbehältern
bzw. auf einzelnen Vorratsflächen trägt, welche derart mechanisch gesteuert wird,
daß nach Ablauf des einen Verdampfungsvorganges der Verdampfer aus der Vorratseinrichtung
mit der neuen Menge des zu verdampfenden Stoffes selbsttätig beschickt wird. Hierfür
ist beispielsweise eine endliche oder auch endlose Fördervorrichtung geeignet, welche
mechanisch derart gesteuert wird, daß nach einem Zeitwert, der einem Verdampfungsvorgang
entspricht, eine neue Teilmenge vom Vorrat des zu verdampfenden Stoffes in dem Bereich
für die übernahme durch eine Leitfläche steht, die eine Verbindungsbahn zwischen
dem Verdampfungsbehälter bzw. der Verdampfungsfläche und dem Vorratsbehälter bzw.
der Vorratsfläche bildet, und über welche die Menge des zu verdampfenden Stoffes
von dem Vorratsbehälter bzw. der Vorratsfläche in den Verdampfer selbsttätig transportiert
wird.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird noch auf die Zeichnung
Bezug genommen.
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In F i g. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher 1 den Träger
bezeichnet, auf welchen die Halbleiterschicht niedergeschlagen wird, die aus der
chemischen Verbindung bestehen soll. Dieser zu verdampfende Stoff 3 ist im Verdampfer
2 untergebracht, der z. B. aus Graphit oder aus Wolfram oder Rhenium besteht. Er
kann z. B. indirekt beheizt sein, indem er auf einer elektrischen Heizplatte angeordnet
ist. Er kann auch direkt geheizt werden, indem er als ein vom elektrischen Strom
durchflossener Widerstandsleiter ausgebildet ist, oder durch elektrische Induktion
oder auch durch Elektronenbombardement erhitzt werden. Die Beheizung ist in der
Zeichnung nicht besonders dargestellt. Bei der Durchführung des Aufdampfungsvorganges
bildet sich dann, wie schematisch angedeutet, wenn z. B. die chemische Verbindung
Indiumantimonid ist, zunächst eine Niederschlagsschicht 4 aus Antimon und auf dieser
eine Niederschlagsschicht 5 aus Iridium, denn Antimon ist der leichter verdampfbare
Stoff wegen seines höheren Dampfdruckes, während Iridium der schwerer verdampfbare
Stoff ist wegen seines niedrigeren Dampfdruckes. Der aus den beiden Schichten 4
und 5 bestehende Niederschlag auf dem Träger 1 muß nunmehr noch einer thermischen
Behandlung unterworfen werden, damit die beiden Schichten in eine einheitliche,
möglichst homogene Schicht aus Indiumantimonid übergeführt werden. Hierfür ist es
im allgemeinen erforderlich, daß eine Temperaturbehandlung gewählt wird, durch die
das auf dem Trägerkörper 1 befindliche Schichtensystem in den schmelzflüssigen Zustand
übergeführt wird, also etwa bei 530° C. Hierbei muß dann gewöhnlich durch besondere
Hilfseinrichtungen bzw. Hilfsmittel dafür Sorge getragen werden, daß die Halbleiterschicht
in der vorgesehenen Flächenausdehnung erhalten bleibt und nicht zufolge der Oberflächenspannung
der Schmelze ein Zusammenlaufen der Halbleiterschicht stattfinden kann. Der Behälter,
in dem der Aufdampfvorgang durchgeführt wird, ist schematisch angedeutet und mit
6 bezeichnet.
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In der F i g. 2 ist veranschaulicht, wie das Verfahren z. B. gemäß
der Erfindung durchgeführt werden kann. Auch in diesem Fall ist wieder in einem
Behälter 6' ein Träger 1' vorhanden, auf welchen der Stoff 3' niedergeschlagen wird,
welcher jeweils in dem Verdampfer 2' enthalten ist. Es wird in diesem Falle zunächst
nur ein Bruchteil der gesamten auf dem Träger 1' niederzuschlagenden Menge, z. B.
an Indiumantimonid, entsprechend dosiert in den Verdampfer 2' gebracht. Das
erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines rohrartigen Teiles 7, in welchem ein Kolben
8 verstellbar ist. Oberhalb des Kolbens 8 lagert die Menge des zu verdampfenden
Stoffes in Form eines Vorrates entweder pulverförmig oder/und in dosierten Mengen.
An das Rohr 7 schließt sich eine Leitfläche 9 an, welche sich bis an den oberen
Rand des Verdampfungsbehälters 2' erstreckt. Durch einen entsprechenden Vorschub
des Kolbens 8 läßt sich jeweils eine entsprechend dosierte Menge an Stoff aus dem
Vorrat 3" über die Leitbahn 9 in den Verdampfungsbehälter 2' bringen. Nach
dem Einbringen einer solchen dosierten Menge in den Verdampfungsbehälter 2' wird
der Verdampfungsvorgang durchgeführt, bis die Menge an Stoff 3' aus dem Verdampfer
2' abgedampft ist. Hierbei bildet sich ein Schichtensystem, wie es im Zusammenhang
mit der F i g. 1 für die beiden Schichten 4 und 5 erläutert worden ist, wobei diese
beiden Schichten in diesem Falle nunmehr mit 4' und 5' bezeichnet sind. Diese beiden
Schichten sind entsprechend der geringen verdampfteni Menge entsprechend relativ
dünner als im Beispiel nach F i g. 1. Nunmehr wird in den Verdampfer 2' erneut eine
nur geringe Menge an zu verdampfendem Stoff 3' eingebracht, die wieder nur
einen
Bruchteil der gesamten auf dem Träger niederzuschlagenden Halbleitermenge ausmacht.
Wird der Verdampfungsprozeß dieser zweiten eingebrachten Menge durchgeführt, so
bilden sich nunmehr die Schichten 4" und 5" aus den beiden einzelnen Komponenten.
Diese stufenweise Verdampfung wird nun noch einige Male durchgeführt entsprechend
der vorgesehenen Stufenzahl, in welcher der Aufdampfungsvorgang durchgeführt werden
soll. Es wird bei dieser Unterteilung des gesamten Aufdampfungsvorganges beispielsweise
so vorgegangen, daß für die Erzeugung einer Halbleiterschicht von einer Dicke von
etwa 10-4 cm ein Aufdampfungsprozeß durchgeführt wird, der aus mindestens 2, vorzugsweise
aber etwa 10 oder mehr Stufen besteht. Nachdem das Schichtensystem aufgetragen ist,
wird es dann einer entsprechenden thermischen Behandlung, vorzugsweise unterhalb
des Schmelzpunktes der chemischen Verbindung, z. B. bei etwa 500° C, unterworfen,
damit die chemische Verbindung Indiumantimonid wieder gebildet wird, wenn der Halbleiterkörper
aus dieser besteht und diese das Ausgangsprodukt war, welches, wie angegeben, im
Verdampfungsbehälter benutzt worden ist.
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Eine andere beispielsweise Ausführung, um in entsprechenden Abständen,
d. h. nach Ablauf des einzelnen Verdampfungsvorganges, jeweils eine entsprechende
neue begrenzte Menge von zu verdampfendem Material in den Verdampfer einzubringen,
veranschaulicht die F i g. 3 der Zeichnung in einer Grundrißdarstellung. In dieser
bezeichnet 10 die beispielsweise aus Wolframblech bestehende Verdampfungsfläche,
auf welche das jeweils zu verdampfende Material gebracht wird. Das Wolframblech
befindet sich zwischen zwei Elektroden 11 und 12, welche als Stromzuleitungen dienen,
damit es unmittelbar als ein als elektrischer Widerstand beheizter Verdampfer benutzt
werden kann. 13 bezeichnet eine kreisringförmige Trägerfläche für den Stoffvorrat
14. Die Ringscheibe 13 kann z. B. auf Kugeln gelagert sein. Sie wird
z. B. mittels eines Exzenters 15 angetrieben, welcher seinerseits von einem nicht
besonders dargestellten Elektromotor, gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe,
angetrieben wird. Jedesmal, wenn der Exzenter bei seinem Umlauf in Berührung mit
der Kreisringscheibe 13 kommt, schiebt er diese um einen entsprechenden Bewegungsschritt
in der angedeuteten Pfeilrichtung vorwärts. Von der Kreisringfläche 13 bis zum Verdampfer
10
erstreckt sich eine Gleitbahn 16. Dieser und der Kreisringscheibe 13 ist
ein Schieber 17 zugeordnet, welcher über ein geeignetes Getriebe derart gesteuert
wird, daß er jeweils dann, wenn die Kreisringscheibe 13 bewegt wird, nach außen
in der Richtung ä zurückgezogen ist, so daß sich nun eine neue Vorratsmenge an Stoff
14 vor seine Fläche bewegen kann. Sobald die neue Beschickung des Verdampfers
10 durchzuführen ist, wird der Schieber wieder in der Pfeilrichtung b verschoben
und schiebt dann eine entsprechende Menge von der Kreisringscheibe 13 ab, so daß
diese Stoffmenge auf die schrägliegende Gleitbahn 16 gelangt und selbsttätig auf
die Verdampferfläche rutscht.
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Die Menge des auf die Kreisringscheibe aufgebrachten Halbleiterstoffes
kann selbstverständlich entweder nur für die Aufdampfung eines Halbleiterkörpers
oder mehrerer Halbleiterkörper nacheinander oder gleichzeitig bemessen werden. Im
letzteren Falle kann die Erfindung auch derart angewendet werden, daß in dem gleichen
Aufdampfbehälter mehrere zu bedampfende Träger bzw. Niederschlagsflächen z. B. an
einer drehbaren Vorrichtung so angeordnet sind, daß die einzelnen Niederschlagsflächen
nacheinander der Bedampfung ausgesetzt werden können, ohne den Aufdampfbehälter
zwischen den einzelnen Bedampfungen öffnen zu müssen.
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Die einzelnen Schichten des Halbleiter sind in den F i g. 1 und 2
aus Gründen der besseren Veranschaulichung mit übertriebener Dicke dargestellt worden.
Die Gesamtdicke eines solchen Halbleiters beträgt beispielsweise etwa 10-4 cm, woraus
sich dann die Dicke der Schicht ergibt, die in den einzelnen Verdampfungsstufen
aufgebracht wird.