DE1621295B2

DE1621295B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bedecken von Substraten durch Bedampfen

Info

Publication number: DE1621295B2
Application number: DE1621295A
Authority: DE
Inventors: Johannes Jacobus Asuerus Ploos Van Eindhoven Amstel (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-01-07
Filing date: 1967-01-05
Publication date: 1974-06-20
Also published as: CH484287A; GB1171842A; FR1507581A; DE1621295C3; BE692310A; US3499785A; AT273230B; NL6600179A; SE346572B; DE1621295A1

Description

Bei den bekannten Verfahren erfolgt das Verdampfen des aufzubringenden Stoffes mittels eines durch Stromdurchgang erhitzten Elementes, durch eine Bogenentladung, durch Hochfrequenzerhitzung oder durch Elektronenbeschuß.

Nach einigen der bekannten Verfahren wird der zu verdampfende Stoff zuvor unmittelbar auf die Oberfläche eines Heizelementes aufgebracht. Dies hat den Nachteil, daß der Stoff nur in beschränkter Menge aufgebracht werden kann und längeres Aufdampfen, wie es bei kontinuierlichem Aufdampfen dicker Schichten erforderlich ist, daher unmöglich ist.

Bei anderen bekannten Verfahren wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß eine große Menge des zu verdampfenden Stoffes entweder unmittelbar oder in einem getrennten Behälter im Inneren eines z. B. aus wendelförmig gewundenem Draht bestehenden Heizkörpers angebracht wird. In solchen Fällen tritt aber eine Schattenwirkung des Drahtkörpers auf, die das Erzielen einer gleichmäßigen Bedeckung durch Bedampfen erschwert. Wird der Stoff aus einem Behälter verdampft, der nicht vom Heizkörper umgeben ist, so daß die erwähnte Schattenwirkung nicht auftritt, so muß zur Erzielung einer ausreichend hohen Temperatur an der Oberfläche des Stoffes, damit eine ausreichende Verdampfung entsteht, der darunterliegende Stoff stark überhitzt werden. Folglich können z. B. störende Reaktionen mit dem Material des Verdampfungselementes auftreten, und insoweit der Stoff aus einer Verbindung besteht, kann Zersetzung erfolgen.

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist es daher unter anderem, die obenerwähnten Nachteile, welche dem Erzielen gleichmäßiger und verhältnismäßig dicker Schichten, wie sie insbesondere bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen

¹S von Bedeutung sind, im Wege stehen, zu vermeiden. Bei der Erfindung ist die einfache Erhitzung durch Stromdurchgang gewählt, da dann nicht, wie in den anderen Fällen, verwickelte, kostspielige und bisweilen auch gefährliche Apparaturen verwendet werden müssen.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung ist eine wenigstens zum Teil geneigte oder sogar horizontale Anordnung aber gleichfalls möglich. In letzterem Falle ist es zur Erzielung einer gleichmäßigen Bedeckung des Verdampfers vorteilhaft, zwei Tiegel für den zu verdampfenden Stoff zu verwenden, die je mit einer Öffnung im Boden versehen und je an einem Ende des Verdampferdrahtes angeordnet sind.

Die Erhitzung zum Schmelzen des Stoffes im Tiegel kann in beliebiger Weise durchgeführt werden, z. B. durch Strahlung eines Heizkörpers oder durch Kontakt mit einem Heizkörper oder aber durch Stromdurchgang durch das zu schmelzende Material.
Obzwar zum Schmelzen vorzugsweise eine getrennte Wärmequelle benutzt wird, da sich die richtige Temperatur dann in einfacher Weise einstellen läßt, können die Wärmequellen zum Schmelzen und zum Verdampfen auch zu einem einzigen Stromdurchgang zu erhitzenden Element kombiniert werden, welches derart bemessen ist, daß die zum Schmelzen bzw. Verdampfen des Stoffes erforderlichen Temperaturen örtlich erreicht werden.

Dazu kann das Heizelement z. B. um oder durch den Tiegel geleitet werden, wobei das Element nach

dem Passieren der Öffnung des Tiegels in einen als Verdampfer dienenden Teil übergeht.

Die richtige Temperatur zum Schmelzen bzw. Verdampfen des Stoffes kann durch geeignete Wahl der Bemessung des Heizdrahtes und der Heizleistung eingestellt werden.

Die Zuführung der zu verdampfenden Stoffe und die Verdampfungsgeschwindigkeit können durch die Temperatur und die Größe der Öffnungen in den Tiegeln geregelt werden. Auch kann hierbei die Gestalt des Verdampfers von Einfluß sein. Wenn der Verdampfer gemäß Anspruch 6 ausgelegt ist, wird die Stoffzuführung am Verdampfer durch Kapillarwirkung erleichtert.

Die Verwendung eines solchen Verdampfers ist deswegen vorteilhaft, und sogar notwendig in jenen Fällen, in denen der geschmolzene Stoff das Material, aus dem der Verdampfer aufgebaut ist, nicht oder schlecht benetzt.

Die Größe der Tiegel kann naturgemäß der aufzudampfenden Stoffmenge angepaßt werden. Bei zu großen Abmessungen können die Höhenunterschiede der Schmelze jedoch zu Druckunterschieden und folglich zu einer störenden Abnahme der Geschwin-

digkeit der Stoffzuführung zum Verdampfer Anlaß geben. Auch treten Fälle auf, in denen es Schwierigkeiten bereitet, eine große Stoffmenge längere Zeit geschmolzen zu halten, z. B. im Zusammenhang mit dem Auftreten von Reaktion mit der Tiegelwand, Zersetzung des Stoffes oder leichter Flüchtigkeit des zu verdampfenden Materials bei der Schmelztemperatur.

Um in solchen Fällen das Bedampfen dennoch längere Zeit fortsetzen zu können, ist es vorteilhaft, kleinere Tiegel zu verwenden und der Schmelze kontinuierlich Stoff, z. B. in Form von Pulver, Körnern oder Draht, zuzuführen.

Die Schmelze wird dem Verdampfer vorzugsweise mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, das sie nach dem Passieren der Zone, in der die zu bedampfenden Substrate angeordnet sind, im wesentlichen verbraucht ist. Der Materialüberschuß kann, insoweit notwendig, an einem Ende des Verdampfers in einem Gefäß aufgefangen werden, um Verunreinigung des dort liegenden Stromzuführungskontaktes möglichst zu verhindern.

Es hat sich ergeben, daß trotz in der Längsrichtung der Verdampfungszone auftretender Unterschiede in der Stärke der auf dem Verdampfer befindlichen Stoffschicht Unterschiede in der Stärke der Schichten auf den Substraten kaum wahrnehmbar sind. Diese Unterschiede betragen z. B. über eine Länge von 10 cm der Verdampfungszone bei einem Abstand von 5 cm zwischen dem Verdampfer und dem Substrat weniger als 5 % und meist weniger als 1 %. Dies hängt möglicherweise mit dem Umstand zusammen, daß die Unterschiede in der Schichtstärke auf dem Verdampfer wenig Einfluß auf den Abstand zwischen dem Verdampfer und dem Substrat haben, und daß eine örtlich geringere Schichtstärke und der damit zusammenhängende geringere Querschnitt eine geringe Erhöhung der Temperatur des Verdampfers herbeiführt. Vollständigkeitshalber wird noch bemerkt, daß es für die Haftung des Materials an den Substraten bekanntlich vorteilhaft sein kann, die Substrate während des Bedampfens zu heizen.

Das Aufdampfen nach der Erfindung kann mit verschiedenen schmelzbaren Materialien durchgeführt werden, z. B. Gold, Kupfer, Mangan, Zinn, Antimon, Silber, Germanium, Silicium, Verbindungen wie Oxyde von Blei, Antimon und Wismut, und Gemische von Stoffen, wie Legierungen von Gold-Kupfer und Silber-Kupfer, während das Aufdampfverfahren sich insbesondere zum Aufbringen von Epitaxialschichten auf ein einkristallines Substrat eignet. Insbesondere in der Halbleitertechnik ist es bekannt, Körper zu verwenden, die aus einem einkristallinen Halbleitersubstrat bestehen, auf dem eine Halbleiterschicht epitaxial angebracht wurde.

Die Materialien, aus denen die Tiegel und die Verdampferdrähte aufgebaut werden, können vielfach derart gewählt werden, daß sie gegen die aufzudampfenden Stoffe bei deren Verarbeitungstemperaturen ausreichend beständig sind.

Für die Tiegel und für die Verdampfer sind verschiedene hitzebeständige Materialien brauchbar, z. B. Graphit, Wolfram, Molybdän und Platin. Für die Tiegel kommen auch elektrisch nichtleitende Stoffe in Frage, z. B. Quarz, Aluminiumoxyd und Bornitrid.

Das Aufdampfen kann, wie an sich bekannt, im Vakuum durchgeführt werden, aber gewünschtenfalls kann man eine Gasatmosphäre niedrigen Druckes,

z. B. eine aus Argon oder Stickstoff bestehende inerte Gasatmosphäre niedrigen Druckes verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Die F i g. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. In Fig. 1 ist im Schnitt ein Tiegel 1 mit einer Bodenöffnung 2 dargestellt, in dem ein Stoff 3 mit Hilfe eines den Tiegel 1 umgebenden Heizelementes 4 zum Schmelzen gebracht wird. Durch die Öffnung 2 des Tiegels ist ein Verdampferdraht 5 geführt, der durch den aus der Öffnung 2 fließenden, geschmolzenen Stoff mit einer Schicht 6 bedeckt wird, die kontinuierlich aus dem Tiegel ergänzt und auf diesem Draht zum Verdampfen gebracht wird. Der Verdampferdraht 5 ist zu diesem Zweck über Zuleitungen 8 mit einer Stromquelle 9 verbunden, durch die er durch Stromdurchgang auf die zum Verdampfen des Stoffes erforderliche Temperatur gebracht wird.

In Fi g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt, bei der der Verdampferdraht 11 in horizontaler Lage angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Schmelztiegel 12 und 13 verwendet, in denen der Stoff 14 zum Schmelzen gebracht wird, der dann durch die Öffnungen 15 und 16 über den durch die Tiegel hindurchgeführten Verdampferdraht 11 fließt und auf diesem eine Schicht 17 bildet. Der Verdampferdraht 11 ist über Zuleitungen 18 mit einer Stromquelle 19 verbunden, durch die er durch Stromdurchgang auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß die Schicht 17 zum Verdampfen gebracht wird.

Beispiel I

Der Tiegel einer Vorrichtung nach Fig. 1, der aus Graphit besteht, wird mit 5 g reinem Germanium ge-

füllt. Die Öffnung des Tiegels hat einen Durchmesser von 1,1 mm. Durch die Öffnung ist ein Verdampferdraht durchgeführt, welcher aus mehreren zusammengeflochtenen Wolframdrähten mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Gesamtlänge von 300 mm besteht.

Das Verdampferelement ist von einem Substrathalter hexagonalen Querschnitts mit einem eingeschriebenen Kreis mit einem Radius von 15 mm und einer Höhe von 80 mm umgeben.

Der Substrathalter wird beschickt mit 24 zu bedampfenden, plattenförmigen Einkristallen mit einem Durchmesser von etwa 18 mm und einer Dicke von 0,6 mm, die aus Germanium mit einer Dotierung von 10¹⁶ Atomen Antimon pro ecm bestehen.

Das Ganze wird unter eine Vakuumglocke gesetzt, worauf auf einem Druck von weniger als 10~^s mm Quecksilber evakuiert wird.

Die Germaniumkristalle werden mit Hilfe eines den Substrathalter umgebenden elektrischen Ofens 5 Minuten lang im Vakuum auf 850° C vorerhitzt; diese Temperatur wird auch während des späteren Aufdampfens aufrechterhalten.

Das Germanium im Graphitbecher wird mittels eines ihn umgebenden elektrischen Ofens geschmolzen und auf 1000° C gehalten.

Anschließend wird der Verdampferdraht mittels Stromdurchgang bei einer Spannung von 13 V erhitzt. Der Strom beträgt beim Einschalten 30 A und steigt

dann (stets bei einer Spannung von 13 V) in etwa V₄ Minuten auf einen Wert von 45 A an, der 70 Sek. lang konstant bleibt. Die geschätzte Temperatur beträgt 1800° C. Die Substrate werden nur während dieser 70 Sekunden dem verdampfenden Germanium ausgesetzt. Der Germaniumdampf wird vor und nach dieser Zeitperiode auf einem Zylinderschirm aus z. B. Molybdän aufgefangen, der vorübergehend zwischen den Substraten und dem Verdampferelement angeordnet werden kann.

Es ergibt sich, daß die einkristallinen Substrate beim Bedampfen epitaxial wachsen. Die Dicke der Bedeckung beträgt 70 Mikron.

Die so erzielten Erzeugnisse sind für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen, wie Transistoren, verwendbar.

Beispiel II

Die verwendete Anordnung entspricht derjenigen, die im Beispiel I beschrieben wurde. Es wird ein Quarztiegel von 60 mm Länge und 17 mm im Durchmesser und mit einem Öffnungsdurchmesser von 1,25 mm verwendet.

Durch die Öffnung wird ein Verdampferdraht geführt, daß aus sieben zusammengeflochtenen Molybdändrähten von 0,4 mm Durchmesser besteht und eine Gesamtlänge von 300 mm hat.

Als Substrat wird um den Verdampfer herum ein Glaszylinder mit einem Radius von 55 mm und einer Höhe von 100 mm angeordnet.

Nachdem 20 g Kupfer im Quarztiegel bis auf eine Temperatur von 1100° C zum Schmelzen gebracht und der Glaszylinder 5 Min. lang bei 500° C erhitzt worden ist, wird das Verdampferelement durch Stromdurchgang bei einer Spannung von 7 V Wechselstrom erhitzt.

Der Strom beträgt beim Einschalten 33 A und steigt dann durch Benetzung mit dem geschmolzenen Kupfer in ³/₄ Min. bis auf 40 A an. Dieser Strom bleibt 3 Min. lang konstant und nimmt dann in V₂ Min. auf 33 A ab, worauf ausgeschaltet wird. Die geschätzte Drahttemperatur betrug 1600° C.

Es wurde eine Kupferschicht mit einer Dicke von 45 Mikron niedergeschlagen.

Beispiel III

In ähnlicher Weise wie für Germanium und Kupfer

beschrieben wurde, wird Bleimonoxyd (PbO) aufge-

dampft, wobei in diesem Falle in einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre niedrigen Drucks aufgedampft

wird.

Es wird dabei ein Platintiegel von 15 mm im Durchmesser und einer Höhe von 30 mm mit einem ίο Öffnungsdurchmesser von 14,1 mm verwendet.

Der Verdampfer besteht aus drei zusammengeflochtenen Platindrähten von 0,5 mm Durchmesser und hat eine Gesamtlänge von 300 mm.

Glassubstrate werden in einem Abstand von 55 mm um den Verdampfer herum angeordnet.

Die Substrate werden 20 Min. lang bei 500° C im Vakuum entgast und auf eine Temperatur von 50° C abgekühlt.

20 g PbO werden bei 900° C im Platintiegel geschmolzen gehalten, worauf der Verdampferdraht auf eine Spannung von 7 V Wechselstrom eingeschaltet wird. Der Anfangsstrom beträgt 22 A. Nach V₂ Minute steigt der Strom bis auf 25 A an, und bleibt darauf konstant. Nachdem der Strom etwa 2 Min. lang auf dieser konstanten Stärke aufrechterhalten wurde, wird der Strom ausgeschaltet.

Durch Verwendung eines Zylinderschirmes, wie er im Beispiel I beschrieben wurde, werden die Substrate nur während dieser 2 Minuten, in denen der Strom maximal ist, dem sich entwickelnden PbO-Dampf ausgesetzt.

Die geschätzte Temperatur des Verdampfers beträgt HOO⁰C.

Während des Bedampfens steigt die Substrattemperatur bis auf etwa 120° C an.

Auf den Substraten ist eine gleichmäßige PbO-Schicht von 20 bis 30 Mikron Dicke erzielt. Man kann auch Glassubstrate verwenden, die vorher auf der den Verdampfer zugekehrten Seite mit einer dünnen durchsichtigen leitenden Schicht, z. B. aus Zinnoxyd, versehen sind. Die nach dem Bedampfen mit Bleioxyd erzielten Erzeugnisse sind in Halbleitervorrichtungen verwendbar, z. B. als photoempfindliches Element in Bildaufnahmeröhren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bedecken von Substraten durch Bedampfen, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wobei der zu verdampfende Stoff in einen Behälter gebracht und die Verdampfung mittels eines durch Stromdurchgang erhitzten Elementes bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdampfende Stoff in einen mit einer Öffnung im Boden versehenen Tiegel gebracht und in diesem geschmolzen wird, der geschmolzene Stoff durch die öffnung hindurch über die Oberfläche eines bei dieser Öffnung angeordneten, zur Verdampfung des Stoffes erhitzten Drahtes fließt und von diesem Draht abgedampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel während des Bedampfens nachgefüllt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferdraht so angeordnet ist, daß ein Ende desselben durch die Öffnung im Tiegel reicht.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferdraht in senkrechter Lage angeordnet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequellen zum Schmelzen und zum Verdampfen zu einem einzigen durch Stromdurchgang zu erhitzenden Element kombiniert sind, das derart bemessen ist, daß die zum Schmelzen bzw. Verdampfen des Stoffes erforderlichen Temperaturen örtlich erreicht werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus mehreren geflochtenen Drähten aufgebaut ist.