DE19510318B4

DE19510318B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung epitaktischer Schichten

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Publication number: DE19510318B4
Application number: DE19510318A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr.rer.nat. Dieter; Hans Prof. Dr.rer.nat. Opower; Heinrich Prof. Dr.-Ing. Weyer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2015-03-23
Also published as: JP3182075B2; JPH08316144A; DE19510318A1; US6013130A

Abstract

Verfahren zum Abscheiden von Schichten von chemischen Verbindungen auf einem Substrat, bei welchem mindestens eine Komponente der abzuscheidenden chemischen Verbindung durch lokale Energiezufuhr von einem Target abgetragen wird, ein vom Target ausgehender und Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung umfassender Teilchenstrom gebildet wird und der Teilchenstrom in einen Fördergasstrom eintritt, welcher die Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung zu dem Substrat führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial eine Komponente einer epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung umfaßt, daß diese Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung durch die lokale Energiezufuhr beim Abtragen von dem Target mit einer im das Target umgebenden Gas enthaltenen anderen Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung zur Reaktion gebracht wird, wobei eine resonante Anregung ausgeschlossen wird, daß die Energie der Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung im Fördergasstrom moderiert wird und daß die entstehenden Teilchen als epitaktische Schicht der abzuscheidenden chemischen Verbindung auf dem Substrat aufwachsen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Schichten von chemischen Verbindungen auf einem Substrat, bei welchem mindestens eine Komponente der abzuscheidenden chemischen Verbindung durch lokale Energiezufuhr von einem Target abgetragen wird, ein vom Target ausgehender und Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung umfassender Teilchenstrom gebildet wird und der Teilchenstrom in einen Fördergasstrom eintritt, welcher die Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung zu dem Substrat führt.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US 5,254,832 bekannt, wobei in dieser Druckschrift ein Verfahren zum Herstellen ultrafeiner Partikel unter Abtragung des Materials dieser ultrafeiner Partikel von einem Target unter Zuhilfenahme eines Födergasstroms beschrieben wird, welcher dazu beiträgt, die Partikel zu dem Substrat zu fördern.
Ferner ist aus der US 5,382,457 ein Verfahren zum Herstellen epitaktischer Schichten mittels Laserablation bekannt, wobei bei diesem Verfahren das epitaktisch abzuscheidende Material von einem Target mittels eines Laserstrahls abgetragen wird und außerdem ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge gewählt wird, welcher die abgetragenen Atome derart optisch anregt, daß diese II-VI Halbleitermaterialien bilden.
Außerdem ist es bekannt, epitaktische Schichten, insbesondere von Verbindungshalbleitern, entweder mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlexpitaxie (MBE) herzustellen. Bei beiden Verfahren wird der Verbindungshalbleiter auf dem heißen Substrat, auf welchem die Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt, hergestellt, wobei bei der metallorganischen Gasphasenepitaxie die Bildung des Verbindungshalbleiters aus geeigneten dampfförmigen Vorläufersubstanzen, die auf dem heißen Substrat thermisch zerlegt werden, erfolgt oder bei der Molekularstrahlepitaxie der Verbindungshalbleiter aus elementaren Komponenten auf dem heißen Substrat gebildet wird.
Insbesondere beim epitaktischen Aufwachsen von Nitridischen Gruppe III-Verbindungshalbleitern, wie AlN, GaN, InN, treten aufgrund der starken Bindung von Stickstoff-Verbindungen Schwierigkeiten bei der erforderlichen Zerlegung dieser Verbindungen auf dem heißen Substrat auf. Dies führt zu ungünstigen stöchiometrischen Verhältnissen in der epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschicht, beispielsweise zu Stickstoffmangel, und damit zu schlechten Schichteigenschaften.
Der Erfindung liegt ausgehend von der US 5,254,832 die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen sich epitaktische Schichten mit den gewünschten Schichteigenschaften vorteilhaft herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Targetmaterial eine Komponente einer epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung umfaßt, daß diese Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung durch die lokale Energiezufuhr beim Abtragen von dem Target mit einer im das Target umgebenden Gas enthaltenen anderen Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung zur Reaktion gebracht wird, wobei eine resonante Anregung ausgeschlossen wird, daß die Energie der Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung im Fördergasstrom moderiert wird und daß die entstehenden Teilchen als epitaktische Schicht der abzuscheidenden chemischen Verbindung auf dem Substrat aufwachsen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die lokale Energiezufuhr beim Abtragen der einen vom Targetmaterial umfaßten Komponente von dem Target ausreichend Energie zugeführt wird, daß die von dem Target abgetragene Komponente und die im umgebenden Gas enthaltene Komponente der abzuschaltenden chemischen Verbindung zur Reaktion gebracht werden, außerdem aber durch den Fördergasstrom ein moderieren der Energie der Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung erfolgt, so daß die abzuscheidene chemische Verbindung als epitaktische Schicht auf dem Substrat aufwächst.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist außerdem darin zu sehen, daß die Bildung der chemischen Verbindung vor Auftreffen der Teilchen auf dem Substrat erfolgt und daß die bereits gebildete chemische Verbindung durch den Fördergasstrom zu dem Substrat transportiert wird. Dies schafft eine erhebliche Zahl von zusätzlichen Freiheitsgraden, die einerseits für die Bildung der chemischen Verbindung und andererseits für die epitaktische Abscheidung derselben von großem Vorteil sind.
Insbesondere läßt die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit zu, für die Bildung der chemischen Verbindung andere Randbedingungen zu definieren als für die Abscheidung der chemischen Verbindung auf dem Substrat. Beispielsweise läßt sich die Temperatur des Substrats und die Ausbildung des Fördergasstroms auf einer Oberfläche des Substrats völlig unabhängig von den Bedingungen für die Bildung der chemischen Verbindung definieren.
Hinsichtlich der Zufuhr der Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung über das das Target umgebende Gas wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, ein separates Gas im Bereich der punktuellen Energiezufuhr zum Target ebenfalls beispielsweise durch eine gezielte Gaszufuhr einzuleiten.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Fördergas die für die Bildung der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung erforderliche Komponente umfaßt.
Im einfachsten Fall ist das Fördergas so gewählt, daß dieses ausschließlich aus der Komponente der chemischen Verbindung besteht, mit welcher die Reaktion mit der vom Targetmaterial umfaßten Komponente erfolgen kann.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den großen Vorteil, daß das Fördergas einerseits dazu genutzt werden kann, die für die Bildung der chemischen Verbindung erforderliche Komponente zuzuführen und andererseits dazu, gleichzeitig die gebildete chemische Verbindung in dem Fördergas zu stabilisieren und über die Festlegung der Strömungsverhältnisse des Fördergasstroms optimierte Bedingungen für ein epitaktisches Schichtwachstum zu erreichen.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, welches die Vorteile der Erfindung konsequent nutzt, sieht dabei vor, daß der Fördergasstrom an einer Oberfläche des Substrats im wesentlichen zeitlich konstante Strömungsverhältnisse aufweist.
Alternativ oder ergänzend dazu ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Fördergasstrom auf der gesamten Oberfläche des Substrats an jedem Ort im wesentlichen vergleichbare Strömungsverhältnisse aufweist, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn die Strömungsverhältnisse überall gleich sind.
Jede der vorstehend genannten Maßnahmen trägt dazu bei, ein gleichmäßiges epitaktisches Schichtwachstum zu fördern und somit die gewünschten vorteilhaften Schichteigenschaften zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Konzept geht davon aus, daß die Energie der Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung im Fördergasstrom moderiert wird, das heißt beispielsweise reduziert und/oder auf ein vergleichbares Niveau gebracht wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung im Fördergasstrom auf eine Teilchengeschwindigkeit gebracht werden, welche ungefähr der Teilchengeschwindigkeit der Teilchen des Fördergasstroms entspricht. Der Vorteil dieser Maßnahme ist darin zu sehen, daß damit die Möglichkeit besteht, unabhängig von der ursprünglichen Geschwindigkeit der Teilchen im Teilchenstrom die Geschwindigkeit der Teilchen der chemischen Verbindung bei der epitaktischen Abscheidung zu definieren, so daß man die Möglichkeit hat, über die Geschwindigkeit der Teilchen des Fördergasstroms auch die Geschwindigkeit der Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden Verbindung in einen für ein epitaktisches Schichtwachstum optimalen Bereich zu bringen.
Beispielsweise ist eine derartige Festlegung der Teilchengeschwindigkeit des Fördergasstroms durch Festlegung eines Druckgefälles im Fördergasstroms und des absoluten Druckniveaus auf der Oberfläche des Substrats möglich.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich ein Fördergasstrom mit den gewünschten Strömungsverhältnissen auf der Oberfläche des Substrats dann erreichen, wenn der Fördergasstrom dadurch festgelegt wird, daß das Fördergas vor Ausbildung desselben eine Düse durchströmt, wobei durch die Düse der Fördergasstrom in vorteilhafter Weise räumlich und hinsichtlich zeitlicher Fluktuationen festlegbar ist.
Um insbesondere bei einem großflächigen Substrat auf der ganzen Oberfläche desselben die gewünschten Strömungsverhältnisse zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Fördergas nicht nur eine Düse, sondern eine Düsenplatte mit einer Vielzahl von Düsen durchströmt.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Düsen als Kapillaren ausgebildet sind, wobei eine Kapillare erfindungsgemäß dadurch definiert ist, daß deren Länge mehr als das 50-fache von deren Durchmesser beträgt und vorzugsweise das Fördergas die Kapillare mit Schallgeschwindigkeit durchströmt.
Hinsichtlich der Art der punktuellen Energiezufuhr zur Erzeugung des Teilchenstroms wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens keine näheren Angaben gemacht.
So ist es beispielsweise möglich, die punktuelle Energiezufuhr durch eine Gasentladung oder durch einen Elektronenstrahl zu realisieren.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die punktuelle Energiezufuhr zum Target mittels eines Laserstrahls erfolgt, wobei der Laserstrahl vorzugsweise fokussiert ist, um das Targetmaterial im Wege der Ablation abzutragen.
Dadurch, daß das Targetmaterial eine Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung umfaßt und diese durch die lokale, insbesondere punktuelle Energiezufuhr beim Abtragen zur Reaktion mit der im das Target umgebenden Gas enthaltenen anderen Komponente gebracht wird, erfolgt vorzugsweise die Reaktion der vom Targetmaterial umfaßten Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung nahe der Targetoberfläche und somit im dem für das Abtragen erforderlichen energetisierten Zustand dieser Komponente.
Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß somit die für die Reaktion der Komponenten der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung miteinander erforderliche Energie durch die punktuelle Energiezufuhr aufgebracht werden kann und diese Energie in keinem Zusammenhang mit der Energie der Teilchen der chemischen Verbindung bei ihrer epitaktischen Abscheidung auf dem Substrat steht. Dies erlaubt insbesondere, die für die Reaktion erforderlichen optimalen Bedingungen zu schaffen und gleichzeitig aber diese optimalen Bedingungen mit optimalen Bedingungen für das epitaktische Abscheiden der chemischen Verbindung zu erhalten.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Reaktion der in dem das Target umgebenden Gas enthaltenen Komponenten mit der vom Targetmaterial umfaßten Komponente bei einem für diese Reaktion vorteilhaften ersten Gasdruckniveau erfolgt, welches ebenfalls unabhängig von dem Gasdruckniveau bei der epitaktischen Abscheidung der chemischen Verbindung aus dem Fördergasstrom ist. Beispielsweise lassen sich hierbei wesentlich höhere Gasdrucke, die für die chemische Reaktion vorteilhaft sind, realisieren, während bei der nachfolgenden epitaktischen Abscheidung wesentlich geringere Gasdrucke für ein optimales epitaktisches Schichtwachstum günstig sind.
Insbesondere in den Fällen, in denen eine möglichst starke Trennung zwischen der Bildung der chemischen Verbindung und dem epitaktischen Abscheiden dieser chemischen Verbindung günstig ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die von dem Teilchenstrom umfaßte epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung von einem ersten Fördergas in ein zweites Fördergas eingetragen wird und das zweite Fördergas den für das Definieren der Strömungsverhältnisse beim epitaktischen Abscheiden der chemischen Verbindung vorgesehenen Fördergasstrom bildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Schichten einer chemischen Verbindung auf einem Substrat mittels Epitaxie durchführbar, bei welcher eine Dampfbildungskammer vorgesehen ist, in welcher mindestens eine Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung durch lokale, insbesondere punktuelle Energiezufuhr von einem Target abgetragen wird und ein von dem Target ausgehender und Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung umfassender Teilchenstrom gebildet wird, bei welcher eine das Substrat umgebende Substratkammer vorgesehen ist und bei welcher ein in die Dampfbildungskammer eintretendes Fördergas die epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung von der Dampfbildungskammer in die Substratkammer fördert und in der Substratkammer einen Fördergasstrom ausbildet, welcher die epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung zur Oberfläche des Substrats führt.
Insbesondere um die Druckbedingungen in der Dampfbildungskammer und der Substratkammer weitgehend unabhängig voneinander festlegen zu können, kann das Fördergas beim Übertritt von der Dampfbildungskammer in die Substratkammer durch eine Düse hindurchtreten, welche den Fördergasstrom definiert.
Insbesondere bei einem Substrat mit einer großen Oberfläche kann das Fördergas durch eine Düsenplatte hindurchtreten.
Besonders günstige und definierte Strömungsverhältnisse im Fördergasstrom lassen sich dann erreichen, wenn die Düse als Kapillare ausgebildet ist.
Insbesondere dann, wenn eine weitgehende Trennung zwischen der Dampfbildungskammer und der Substratkammer zweckmäßig ist, ist es vorteilhaft, wenn ein erstes Fördergas die epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung aus der Dampfbildungskammer in eine von einem zweiten Fördergas durchströmte Düse eintägt und das zweite Fördergas unter Ausbildung des Fördergasstroms in die Substratkammer eintritt und durch diesen Fördergasstrom die epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung zur Oberfläche des Substrats führt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine vergrößerte Darstellung der Verhältnisse in einer Kapillare;
3 eine schematische Abbildung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einer Vorrichtung, welche in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Diese umfaßt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Gehäuse, welches eine Dampfbildungskammer 12 aufweist, in welcher ein als Ganzes mit 14 bezeichnetes Target angeordnet ist. Das Target wird auf einer Oberseite 16 mit einem Laserstrahl 18 in einem Fokusbereich 20 beaufschlagt, wobei der Laserstrahl 18 durch ein Fenster 22 im Gehäuse 10 hindurch in die Dampfbildungskammer 12 eintritt.
In dem Fokusbereich 20 erfolgt eine Energiezufuhr zu dem Material des Targets 14, so daß von diesem Fokusbereich 20 ein Dampfstrom 24 ausgeht, welcher sich in der Dampfbildungskammer 12 ausbreitet.
Der Dampfstrom 24 umfaßt dabei dampfförmiges Verbindungshalbleitermaterial und stellt somit einen Teilchenstrom dar, welcher Moleküle des Verbindungshalbleitermaterials umfaßt, wobei die Moleküle einzeln vorliegen können.
Die Dampfbildungskammer 12 ist ferner noch mit einem Gaseinlaß 30 versehen, durch welchen ein Fördergas eintritt, das die Dampfbildungskammer 12 durchströmt und über eine die Dampfbildungskammer 12 und eine Substratkammer 32 voneinander trennenden Kapillarplatte 34 in die Substratkammer übertritt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Target 14 mit seiner Oberseite 16 der Kapillarplatte 34 zugewandt, so daß sich der Dampfstrom 24 zur Kapillarplatte 34 hin ausbreitet.
Ausgehend von der Kapillarplatte 34 bildet sich in der Substratkammer 32 ein Fördergasstrom 36 aus, welcher auf eine Oberfläche 38 eines als Ganzes mit 40 bezeichneten Substrats auftrifft, und dabei auf jedem Punkt der Oberfläche im wesentlichen zeitlich konstante Strömungsparameter aufweist. Vorzugsweise ist dabei die Geschwindigkeit des Fördergasstroms 36 auf jedem Punkt der Oberfläche 38 näherungsweise gleich. Dasselbe gilt näherungsweise auch für eine Dichte des Fördergasstroms 36 auf jedem Punkt der Oberfläche 38.
Eine derartige Ausbildung des Fördergasstroms 36 ist dann möglich, wenn wie in 2 dargestellt, die Kapillarplatte 34 mindestens eine als Ganzes mit 50 bezeichnete Kapillare aufweist, deren Länge L größer als ungefähr das 50-fache von deren Durchmesser D ist, wobei zwischen einer Eintrittsöffnung 52 und einer Austrittsöffnung 54 der Kapillare 50 ein Druckgefälle herrscht, das in der Kapillare 50 zu einer Strömungsgeschwindigkeit des Fördergases in Längsrichtung 56 der Kapillare führt, welche ungefähr der Schallgeschwindigkeit entspricht.
Vorzugsweise ist die Eintrittsöffnung 52 der Kapillare 50 trichterförmig zur Dampfbildungskammer 12 hin erweitert, um ein möglichst wirbelfreies Einströmen des Fördergases in die Kapillare 50 zu ermöglichen.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß das Target 14 die metallische Komponente eines Verbindungshalbleiters, also beispielsweise Al oder Ga oder In aufweist, so daß durch den Laserstrahl 18 im Fokusbereich 20 eine Ablation dieser metallischen Komponente durch die punktuelle Energiezufuhr mittels des Laserstrahls 18 erfolgt.
Ferner wird durch den Gaseinlaß 30 molekularer Stickstoff N₂ der Dampfbildungskammer 12 zugeführt, so daß bei der Ablation der metallischen Komponente im Fokusbereich 20 eine Reaktion der metallischen Komponente mit dem Stickstoff unter Bildung von AlN, GaN oder InN erfolgt. Der Druck des molekularen Stickstoffs in der Dampfbildungskammer 12 ist dabei vorzugsweise größer 10^–2 oder noch besser größer 10^–1 mbar. Beispielsweise kann der Druck des Stickstoffs in der Dampfbildungskammer 12 ungefähr 10 mbar betragen.
Der über den Gaseinlaß 30 zugeführte Stickstoff dient jedoch nicht nur als Reaktionsgas zur Bildung des Verbindungshalbleiters AlN oder GaN oder InN, der sich als Dampfstrom 24 in der Dampfbildungskammer 12 ausbreitet, sondern gleichzeitig als Fördergas, welches die Teilchengeschwindigkeit in den Dampfstrom 24 moderiert, das heißt auf die Geschwindigkeit des Fördergasstromes reduziert und außerdem wird die Zahl der Ionen im Dampfstrom 24 reduziert.
Der durch den Gaseinlaß 30 in die Dampfbildungskammer 12 einströmende Stickstoff strömt unter Mitnahme des sich im Dampfstrom 24 in der Dampfbildungskammer 12 ausbreitenden dampfförmigen Verbindungshalbleiters durch die Kapillarplatte 24 in die Substratkammer 32, wobei der sich in diesem ausbildende Fördergasstrom 36 dafür sorgt, daß der dampfförmige Verbindungshalbleiter mit einer möglichst geringen Geschwindigkeit, nämlich der des Fördergasstroms 36 auf die Oberfläche 38 des Substrats 40 trifft und auf dieser epitaktisch abgeschieden wird.
Hierzu erfolgt ein Absaugen von Fördergas aus der Substratkammer auf einer der Kapillarplatte gegenüberliegenden Seite der Substratkammer 32 über eine Absaugöffnung 42, so daß sich damit ein für die Epitaxie vorteilhaftes Druckgefälle zwischen der Dampfbildungskammer und der Substratkammer einstellt. Der Druck ist dabei beispielsweise in der Substratkammer mindestens um einen Faktor 10 geringer als in der Dampfbildungskammer.
Vorteilhafte zeitlich und räumlich konstante Geschwindigkeitsverhältnisse des Fördergasstroms 36 auf der Oberfläche 38 des Substrats 40 sind dann erhältlich, wenn das Substrat 40 zwischen der Kapillarplatte 34 und der Absaugöffnung 42 angeordnet und mit der Oberfläche 38 der Kapillarplatte 34 zugewandt ist.
Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren noch über eine Temperierungseinrichtung 44 die Möglichkeit gegeben, das Substrat 40 auf eine für ein epitaktisches Abscheiden des dampfförmigen Verbindungshalbleiters auf der Oberfläche 38 des Substrats 40 vorteilhafte Temperatur zu bringen, so daß sich auf der Oberfläche 38 dann letztlich eine epitaktische Schicht 60 mit optimalen Schichteigenschaften bildet.
Alternativ dazu ist vorgesehen, als Material für das Target 14 Siliciumkarbid SiC zu verwenden und dieses mit dem Laserstrahl 18 im Fokusbereich 20 durch Ablation zu verdampfen, so daß der Dampfstrom 24 dampfförmiges Siliciumkarbid enthält. Dieses dampfförmige Siliciumkarbid wird dann durch das durch den Gaseinlaß 30 eintretende Fördergas, welches in diesem Fall jegliche Art von inertem Gas, beispielsweise auch ein Edelgas, sein kann, durch die Kapillarplatte 34 hindurch in die Substratkammer 32 gefördert, wobei sich ebenfalls der Fördergasstrom 36 in der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Weise ausbildet, so daß auf dem Substrat 40 ebenfalls eine Schicht 60 des Verbindungshalbleiters SiC epitaktisch abgeschieden werden kann.
Für jeden Anwendungsfall läßt sich durch Einstellung des Druckgefälles zwischen der Dampfbildungskammer 12 und der Substratkammer 32 die Geschwindigkeit des Fördergasstroms 36 sowie des Dichte auf der Oberfläche 38 des Substrats 40 und zusätzlich noch die Temperatur des Substrats 40 exakt entsprechend optimalem epitaktischem Schichtwachstum einstellen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens , dargestellt in 3 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Dampfstrom 24' nicht wie der Dampfstrom 24 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sich in Richtung der Kapillarplatte 34 ausbreitet, sondern in einer Richtung, welche ungefähr parallel zu einer der Dampfbildungskammer 12 zugewandten Oberfläche 33 der Kapillarplatte 34 verläuft.
Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß sich ausgehend von dem Gaseinlaß ein direkter, ungehindert zur Kapillarplatte 34 verlaufender Fördergasstrom 62 ausbildet, wobei in diesem Fall das Target 14' seitlich des Fördergasstroms 62 angeordnet ist, so daß sich der Dampfstrom 24' von einer Seite des Fördergasstroms 62 her ausgehend und zwar quer zu diesem durch den Fördergasstrom hindurch ausbreitet, so daß eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Dampfes des Verbindungshalbleiters in dem Fördergasstrom 62 vor Eintritt des Fördergases in die Kapillarplatte 34 erreichbar ist.
Im übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 3 in gleicher Weise ausgebildet wie das erste und arbeitet ebenfalls in gleicher Weise, so daß diesbezüglich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 4 ist eine Dampfbildungskammer 112 vorgesehen, in welche das Target 14 angeordnet ist. Ferner umfaßt die Dampfbildungskammer 112 ebenfalls ein Fenster 122, durch welches der Laserstrahl 18 hindurchtritt, um in einem Fokusbereich 20 dem Targetmaterial im wesentlichen punktförmig Energie zuzuführen und den Dampfstrom 24 zu erzeugen, welcher Moleküle des gewünschten Verbindungshalbleiters umfaßt.
Die Dampfbildungskammer 112 weist ferner einen Gaseinlaß 130 aus, durch welchen ein erster Fördergas in die Dampfbildungskammer 112 eintritt und einen Auslaß 131, aus welchem das Dampf des Verbindungshalbleiters mitführende Fördergas seitlich zu einer Haupströmungsrichtung 133 in eine Düse 134 eintritt und von einem zweiten die Düse 134 in der Hauptströmungsrichtung 133 durchsetzenden Fördergasstrahl 135 mitgerissen wird. Der zweite Fördergasstrahl 135 tritt nach Verlassen der Düse 134 in die Substratkammer 132 ein und bildet in dieser einen Fördergasstrom 136, welcher in gleicher Weise wie der Fördergasstrom 36 beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zeitlich und räumlich über der Oberfläche 38 des Substrats 40 konstant ist, um ein optimales epitaktisches Schichtwachstum auf dem Substrat 40 beim Aufbau der epitaktischen Schicht 60 zu gewährleisten.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist beispielsweise das erste Fördergas, welches die Dampfbildungskammer 112 durchsetzt Stickstoff und das Target 14 aus der metallischen Komponente, beispielsweise Al, oder Ga, oder In, so daß das erste Fördergas auch gleichzeitig den Stickstoff als zweite Komponente des Verbindungshalbleiters darstellt, welcher bei Ablatieren der metallischen Komponente von dem Target 14 mittels des Laserstrahls 18 gebildet wird und sich im Dampfstrom 24 ausbreitet. Gleichzeitig dient das erste Fördergas zur Förderung des im Dampfstrom 24 sich ausbreitenden Verbindungshalbleiters zum Auslaß 131 und somit in die Düse 134, von welcher ausgehend dann mittels des zweiten Fördergases der Dampf des Verbindungshalbleiters gemeinsam mit den Anteilen des ersten Fördergases in Richtung des Substrats 40 unter Ausbildung des zeitlich und örtlich konstanten Fördergasstroms 136 gefördert wird, um ein optimales epitaktisches Aufwachsen der Schicht 60 auf dem Substrat 40 zu gewährleisten.
Das zweite Fördergas kann dabei im einfachsten Fall identisch sein mit dem ersten Fördergas, es ist aber auch ebenfalls möglich, das zweite Fördergas als bezüglich des Dampfes des Verbindungshalbleiters inertes Gas zu wählen, wobei die Auswahl des zweiten Fördergases noch dahingehend angepaßt werden kann, daß es einen optimalen Fördergasstrom 136 ausbildet, und ebenfalls das epitaktische Wachstum der Schicht 60 fördert.
Vorzugsweise ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 4 das Target 14 in der Dampfbildungskammer 112 in gleicher Weise so angeordnet, wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, das heißt seitlich eines Fördergasstroms 162 des ersten Fördergases.
Im übrigen funktioniert das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 4 in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, so daß diesbezüglich voll inhaltlich auf die Ausführungen zu diesen Ausführungsbeispielen Bezug genommen wird.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 5, sind das Target 14 und das Substrat 40 parallel zu einem Fördergasstrom 262 angeordnet, wobei die Dampfbildungskammer 212, in welcher das Target 14 angeordnet ist und die Substratkammer 232 ineinander übergehen und die Substratkammer 232 einen engeren Strömungsquerschnitt als die vom Fördergasstrom 262 durchsetzte Dampfbildungskammer 212 aufweist.
Das Target 14 ist ebenfalls seitlich des Fördergasstroms 262 angeordnet, so daß der sich ausgehend von der Oberseite 16 des Targets ausbreitende Dampfstrom 24 quer zum Fördergasstrom 262 sich ausbreitet und diesen durchsetzt und in gleicher Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Moderation des Dampfstroms 24 und eine Mitnahme des Dampfes des Verbindungshalbleiters in dem Fördergasstrom 262 erfolgt, wobei durch die Verengung des Strömungsquerschnitts und durch die Anordnung des Substrats 40 in dem verengten Strömungsquerschnitt der Substratkammer 232 auf der Oberfläche 38 des Substrats 40 räumlich und zeitlich gleichförmige Strömungsverhältnisse geschaffen werden, um ein optimales Wachstum der epitaktischen Schicht 60 auf der Oberfläche 38 des Substrats 40 zu gewährleisten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Druck in der Substratkammer ungefähr gleich dem Druck in der Dampfbildungskammer.
Im übrigen funktioniert das vierte Ausführungsbeispiel gemäß 5 in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dargelegt, so daß diesbezüglich vollinhaltlich auf die Ausführungen zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen Bezug genommen wird.

Claims

Verfahren zum Abscheiden von Schichten von chemischen Verbindungen auf einem Substrat, bei welchem mindestens eine Komponente der abzuscheidenden chemischen Verbindung durch lokale Energiezufuhr von einem Target abgetragen wird, ein vom Target ausgehender und Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung umfassender Teilchenstrom gebildet wird und der Teilchenstrom in einen Fördergasstrom eintritt, welcher die Teilchen der abzuscheidenden chemischen Verbindung zu dem Substrat führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial eine Komponente einer epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung umfaßt, daß diese Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung durch die lokale Energiezufuhr beim Abtragen von dem Target mit einer im das Target umgebenden Gas enthaltenen anderen Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung zur Reaktion gebracht wird, wobei eine resonante Anregung ausgeschlossen wird, daß die Energie der Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung im Fördergasstrom moderiert wird und daß die entstehenden Teilchen als epitaktische Schicht der abzuscheidenden chemischen Verbindung auf dem Substrat aufwachsen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördergas die für die Bildung der abzuscheidenden chemischen Verbindung erforderliche Komponente umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördergas ausschließlich aus der für die Bildung der abzuscheidenden chemischen Verbindung erforderlichen Komponente besteht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fördergasstrom an der Oberfläche des Substrats zeitlich konstant ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverhältnisse überall gleich sind
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der epitaktisch abzuscheidenden Verbindung im Fördergasstrom auf eine Teilchengeschwindigkeit gebracht werden, welche ungefähr der Teilchengeschwindigkeit des Fördergasstroms entspricht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverhältnisse des Fördergasstroms an der Oberfläche des Substrats dadurch definiert werden, daß das Fördergas vor Ausbildung des Fördergasstroms durch eine Düse geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördergas zur Ausbildung des Fördergasstroms durch eine Düsenplatte geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse als Kapillare ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie punktuell dem Target mittels eines Laserstrahls zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der vom Targetmaterial umfaßten Komponente der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung mit der im umgebenden Gas enthaltenen Komponente nahe der Targetoberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der Komponenten der epitaktisch abzuscheidenden chemischen Verbindung miteinander bei einem ersten Gasdruckniveau erfolgt, welches sich von einem zweiten Gasdruckniveau unterscheidet, bei welchem die chemische Verbindung epitaktisch abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Teilchenstrom umfaßte epitaktisch abzuscheidende chemische Verbindung von einem ersten Fördergas in ein zweites Fördergas eingetragen wird und das zweite Fördergas den die Strömungsverhältnisse bei der epitaktischen Abscheidung der chemischen Verbindung definierenden Fördergasstrom bildet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktisch abzuscheidene chemische Verbindung ein Verbindungshalbleiter der nitridischen Gruppe III-Verbindungshalbleiter ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Target umgebendes Gas eine Stickstoffkomponente des abzuscheidenden Verbindungshalbleiters umfasst.