DE2445146A1

DE2445146A1 - Verfahren und vorrichtung zur ausbildung epitaktischer schichten

Info

Publication number: DE2445146A1
Application number: DE19742445146
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Dr Bauser; Martina Frik; Karl Siegfried Loechner; Laurenz Schmidt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1976-04-01
Also published as: GB1519478A; FR2285714A1; DE2445146C3; FR2285714B1; NL7511096A; JPS582200B2; NL168279B; NL168279C; US4373988A; DE2445146B2; JPS5157162A

Description

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16.September 1974 9444-74/Sch/E/Elf

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der

Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen, Bunsenstraße 10

Verfahren und Vorrichtung zur Ausbildung epitaktischer Schichten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung einer Schicht auf mindestens einem Substrat durch epitaktisches Wachstum, bei welchem eine das die Schicht bildende Material enthaltende Flüssigkeit unter Einwirkung äußerer Kräfte in Berührung mit der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates gebracht wird.

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Die Anwendung epitaktischer Schichten in der Bauelementeherstellung, vor allem auf dem Gebiete der Halbleiter, hat in den letzten Jahren äußerst stark zugenommen. Als Herstellungsverfahren wird gegenwärtig fast ausschließlich die Gasphasenepitaxie benutzt. Ξs gibt aber eine ganze Reihe von Materialien, deren Eigenschaften den Anforderungen der Bauelementehersteller wesentlich besser entsprechen, wenn sie mit Hilfe der Flüssigepitaxie gewonnen werden, wie aus Laborversuchen deutlich hervorgeht. Dies gilt beispielsweise für die Wirkungsgrade von Lumineszenz- und Laserdioden.

Aus einer zusammenfassenden Darstellung über Flüssigphasenepitaxie mit dem Titel "Properties and Applications of III-V-Compund Films Deposited by Liquid Phase Epitaxy" von H. Kressel und H. Nelson in "Physics of Thin Films" Band 6 (1973) sind die folgenden Verfahren bekannt:

Das "Tiegelverfahren" (Seite 117), bei welchem in einem zunächst schräg gehaltenen Tiegel an der höher gelegenen Stelle des Tiegelbodens der zu beschichtende Substrat festgeklemmt ist, während sich an der tiefer gelegenen Stelle die das epitaktisch abzuscheidende Material enthaltende Flüssigkeit befindet. Für die gewünschte Dauer der epitaktischen Abscheidung wird der Tiegel in die entgegengesetzte Lage gekr'ppt, so daß die Flüssigkeit den Substrat überflutet,

das Eintauchverfahren (Seite 118), bei welchem der Substrat in einem aufrecht stehenden Gefäß einfach in die Flüssigkeit eingetaucht wird,

und das Schiebetiegel-Verfahren (Seite 119), bei welchem der Substrat in einen Schieber eingebettet ist, der sich unter einer Platte mit verschiedenen Flüssigkeitsbehältern verschieben läßt, so daß die jeweilige Flüssigkeit den Substrat bedeckt. Als Variante gibt es das Drehtiegelver-

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fahren, fei welchem die Flüssigkeitsbehälter kreisförmig entsprechend einem Revolverkopf angeordnet sind.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß sich epitaktische Schichtdicken unter 0,5 y nicht mehr reproduzierbar herstellen lassen. Außerdem fließen die nur unter Einwirkung der Schwerkraft stehenden Lösungen nach der epitaktischen Ablagerung der Schichten meist nicht vollständig vom Substrat ab, und die auf den bewachsenen Substraten verbleibenden Lösungsreste führen zu zusätzlichem ungleichmäßtä/Weiterwachsen der epitaktischen Schichten und damit zu ungleichmäßigen Schichtdicken. Außerdem bestehen bei dem Schiebetiegelverfahren, das gegenwärtig für die Herstellung der Doppelheterostrukturen für Galliumarsenidlaser angewendet wird, die Nachteile, daß bei Betätigung des Schiebers Graphitstaub entsteht, der Schieber sich abnützt und durch die Schiebebewegungen auf den epitaktisch abgelagerten Schichten leicht Kratzer entstehen. Ferner werden häufig Schmelzanteile zwischen den Vorratsbehältern verschleppt. Dieses Verfahren ist daher ebenso wie die beiden anderen für eine industrielle Produktion ungeeignet.

Schließlich ist aus dem Aufsatz "Liquid Phase Epitaxy Growth of GaP by a Centrifugal Tipping Techique" von S.Y.Lien und J.L. Bestel im "Journal of the Electrochem.Soc." Band 120 (1973) Nr. 11 auf Seite 1571 ein Zentrifugalverfahren bekannt, bei welchem in einem rotierenden Tiegel die zu beschichtenden Substrate befestigt sind. Die zunächst im unteren Teil des mit dem Tiegel umlaufenden Gehäuses befindliche Flüssigkeit steigt unter Einwirkung der Zentrifugalkraft nach oben und benetzt die Substrate, so daß sich aus der Flüssigkeit Material epitaktisch auf den Substraten ablagern kann. Bringt man die Anordnung zum Stillstand, so sammelt sich die Flüssigkeit wieder im unteren Teil des Gehäuses und tropft unter Wirkung der Schwerkraft von den Substraten ab. Auch hierbei besteht der

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Nachteil eines unregelmäßigen Weiterachsens der abgelagerten Schichten infolge der auf ihnen verbleibenden Flüssigkeitsreste.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur epitaktischen Abscheidung von Schichten auf Substraten, bei welchem nach Beendigung des erwünschten epitaktischen Wachstums keine Flüssigkeitsreste auf den gebildeten Schichten verbleiben, so daß ein unerwünschtes ungleichmässiges Weiterwachsen der Schichten vermieden wird. Außerdem soll sich das Verfahren über eine labormässige Anwendung hinaus auch für eine produktionsmäßige Herstellung epitaktischer Schichten aus der Flüssigphase eignen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich ist hierbei, daß die das abzuscheidende Material enthaltende Flüssigkeit über die zu bewachsene Oberfläche des Substrats strömt und jegliche Flüssigkeitsreste anschließend von der Oberfläche der aufgewachsenen Schicht abgeschleudert werden, so daß kein stellenweises Weiterwachsen, welches Schichtun^gleichmäßigkeiten ergeben würde, auftreten kann. Die Kraft, unter deren Einfluß die Flüssigkeit über dots Substrat geführt wird, kann beispielsweise eine Zentrifugalkraft sein. Der Vorratsraum befindet sich dann näher am RotationsZentrum als das oder die Substrate, so daß die Flüssigkeit unter Einwirkung der Fliehkraft über die zu beschichtende Substratoberfläche strömt und in den noch weiter außerhalb liegenden Abflußraum fließt. Vorzugsweise wird dann die zu beschichtende Substratoberfläche in radialer Richtung angeordnet, so daß die auf die Flüssigkeitsreste einwirkende Fliehkraft eine maximale Größe hat. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man die Flüssigkeit im Vorratsraum unter Gasdruck setzt, so daß sie aus dem Vorratsraum heraus über die Substratoberfläche In den Abflußraum gedrückt wird. Auch hierbei werden jegliche Flüssigkeitsreste

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durch das nachströmende Gas von der zu beschichtenden Substratoberfläche entfernt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens besteht ferner darin, daß zwei Substrate derart angeordnet werden, daß ihre zu beschichtenden Oberflächen sich parallel zueinander in einem Abstand befinden und die Flüssigkeit durch den Raum zwischen den Oberflächen strömt. Auf diese Weise läßt sich das Verfahren noch wirtschaftlicher gestalten, da die zwischen den beiden Substraten hindurch strömende Flüssigkeit besser ausgenutzt wird und zumindest zwei Substrate gleichzeitig beschichtet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,.daß die Abscheidung der Schichten aus der strömenden Flüssigkeit erfolgt und ständig frische Flüssigkeit mit der vollständigen Konzentration des abzuscheidenden Materials zur Verfügung steht, so daß sich der AbScheidungsprozeß gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen die Konzentration während der Abscheidungszeit nachläßt, verkürzen läßt. Das erfindnngsgemäße Verfahren bietet auch den weiteren Vorteil der Ausbildung mehrerer unterschiedlicher epitaktischer Schichten übereinander, da der Vorratsraum nacheinander mit unterschiedlichen Epitaxieflüssigkeiten beschickt werden kann, aus denen jeweils unterschiedliche epitaktische Schichten abgeschieden werden, die dann übereinander wachsen. Auf diese Weise lassen sich Halbleiter mit praktisch beliebigen Schichtfolgen herstellen. Zweckmässigerweise wird man die verschiedenen Flüssigkeiten mit Hilfe von Dosiervorrichtungen in den Vorratsraum einbringen, wobei diese Dosiervorrichtungen an größere Vorratsbehälter der Epitaxie" anlage angeschlossen sein können.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtungen ergeben sich grundsätzlich aus den Ansprüchen 7 und 10. Sie gestatten es , die Vorteile dieses Verfahrens mit

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relativ geringem mechanischen Aufwand gut auszunutzen und eignen sich grundsätzlich auch für die produktionsmäßige Herstellung epitaktischer Schichten auf Substraten. Zweckmässige Einzelheiten dieser Vorrichtungen ergeben sich aus den übrigen

Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mit Fliehkraft arbeitenden Vorrichtung zur epitaktischen Beschichtung von Substraten aus der Flüssigphase näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II aus Fig. 1.

Der Schnitt gemäß Figo 1 läßt einen innerhalb eines Gehäuses angeordneten Tiegel 2 erkennen. Der Tiegel 2 weist in der Nähe seiner Drehachse 3 zwei Vorratsräume 4 auf, in welche durch die obere Gehäuseöffnung 5 eine Lösung des Materials eingeführt werden kann, aus welchem die epitaktische Schicht auf dem Substrat abgeschieden werden soll. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind vier Substrate 6 dargestellt, von denen jeweils zwei die Wandungen je eines Kanales 7 bilden, durch den die Lösung von den Vorratsräumen 4 in einen Abflußraum 8 fließt, wenn der Tiegel in Rotation versetzt wird. Der Abflußraum 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ringraum, unterhalb dessen das Gehäuse als Auffanggefäß 9 ausgebildet ist, in welchem sich die durch den oder die spaltförraigen Kanäle hindurch geschleuderte Lösung schließlich sammelt.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind die Substrate 6 in Schwalbenschwanzführungen 10 im Tiegel 2 derart gehaltert, daß ihre epitaktisch zu bewachsenen Oberflächen unter Bildung des Kanals einander gegenüber liegen. Statt in den dargestellten Schwal-

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benschwanzführungen 10 können die Substrate natürlich auch in anders ausgebildeten Halterungen im Tiegel 2 angeordnet werden, die ein einfaches Einsetzen der Substrate und eine Einstellung der Spaltbreite der zwischen ihnen gebildeten Kanäle erlauben. Obwohl in dem Ausführungsbeispiel nur vier Substrate 6 unter Bildung von zwei Kanälen 7 dargestellt sind, kann natürlich eine erheblich größere Anzahl von Kanälen für die Beschichtung einer entsprechend größeren Anzahl von Substraten in ringförmiger Anordnung im Tiegel vorgesehen sein. Für eine produktionsmäßige Beschichtung von Substraten wird man versuchen, den Tiegel in diesem Sinne so auszubilden, daß möglichst viele Substrate gleichzeitig beschichtet werden können. Ferner kann man statt des für jeden Kanal gesonderten Vorratsraumes 4 einen allen Kanälen gemeinsam zentrischen Vorratsraum vorsehen können, in den gegebenenfalls auch während der Rotation des Tiegels Lösung nachfüllbar ist. Dies erfolgt für eine gute Reproduzierbarkeit zweckmässigerweise mit Hilfe einer Dosiervorrichtung, die natürlich auch für die Beschickung getrennter Vorratsräume ausgebildet sein kann und eine gleichmässige Füllung des oder der Vorratsräume mit Lösung garantiert.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Breite der Kanäle 7 einstellbar sein, indem beispielsweise die Halterung für die Substrate 6 im Tiegel 7 verstellbar ausgebildet wird. Im Zusammenhang mit der Rotationsgeschwindigkeit und der Viskosität der Lösung lassen sich damit die Parameter für · den Epitaxiewachs tunjsvorgang weitgehend verändern und unterschiedlichen Gegebenenheiten anpassen. Zweckmässig ist dafür ein Einstellbereich von 0 bis 2 mm. Der Drehzahlbereich kann sich von 0 bis 2800 U/min erstrecken, je nach den Gegebenheiten aber auch weiter reichen.

Zum Betrieb der Vorrichtung werden in die Schwalbenschwanzführungen 10 des Tiegels 2 Substrate 6 eingesetzt, und die Vorratsräume 4 werden mit der gewünschten Lösungsmenge gefüllt.

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Dann wird der Tiegel in Umdrehung versetzt, so daß das Lösungsmittel aus den Vorratsräumen durch die Kanäle 7 an den einander zugewandten Oberflächen der Substrate vorbei in den Abflußraum 8 zentrifugiert wird. Während des Vorbeiströmens an den Substratoberflächen wachsen aus der Lösung epitaktische Schichten auf den Oberflächen und nach Entleerung der Vorratsräume werden infolge der Zentrifugalkräfte jegliche Lösungsmittelreste von den bewachsenen Oberflächen abgeschleudert. Hierzu kann man, nachdem die Vorratsräume leer sind, die Drehzahl heraufsetzen, damit die Zentrifugalkraft zum Freischleudern der bewachsenen Oberflächen größer wird. Auf diese Weise lassen sich wesentlich gleichmässigere epitaktische Schichten ausbilden, als es bei den bekannten Verfahren der Fall ist, bei welchen leicht Lösungsmittelreste auf den bewachsenen Schichten verbleiben und zu Unregelmässigkeiten führen.

Die abgeschleuderte Lösung fließt vom Ringraum außerhalb des Tiegels nach unten in das Auffanggefäß 9, in dem sich die verbrauchte Lösung 11 sammelt und aus dem sie abgezogen werden kann.

Obwohl grundsätzlich der Tiegel mit dem Gehäuse fest verbunden sein kann, so daß beide rotieren, ist es zweckmässig, den Tiegel 2 im Gehäuse 1 so zu lagern, daß nur er rotiert, während das Gehäuse feststeht. Diesbezügliche Einzelheiten sind in der Zeichnung nicht besonders dargestellt.

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Claims

2U5U6 Patentansprüche

1.) Verfahren zur Ausbildung einer Schicht auf mindestens einem Substrat durch epitaktisches Wachstum, bei welchem eine das die Schicht bildende Material enthaltende Flüssigkeit unter Einwirkung äußerer Kräfte in Berührung mit der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats gebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß man die Flüssigkeit unter Einwirkung der Kräfte aus einem Vorratsraum heraus über die zu beschichtende Oberfläche des Substrats zu einem Abflußraum strömen läßt.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Flüssigkeit unter Fliehkrafteinwirkung in Berührung mit der zu beschichtenden Oberfläche des zusammen mit der Flüssigkeit in eine Rotationsvorrichtung in Umdrehung versetzten, außerhalb des Rotationszentrums angeordneten Substrats gebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit der Rotationsvorrichtung an einer dem Rotationsζentrum näher als d&s Substrat gelegenen Stelle zugeführt und an einer vom RotationsZentrum weiter entfernt als das Substrat gelegenen Stelle wieder entnommen wird derart, daß sie unter der Fliehkrafteinwirkung an der zu beschichtenden Substratoberfläche vorbeiströmt.

3.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit unter Gasdruck aus dem Vorratsraum über die Substratoberfläche in den Abflußraum gedrückt wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3,dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat in einem den Vorratsraum mit dem Abflußraum verbindenden Kanal derart angeordnet wird, daß seine zu beschichtende Oberfläche von der durch den Kanal strömenden Flüssigkeit umspült wird.

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5.) Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zu beschichtende Sub* stratoberfläche in radialer Richtung angeordnet wird.

6.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Substrate an gegenüberliegenden Kanalwandungen derart angeordnet werden, daß ihre zu beschichtenden Oberflächen sich parallel zueinander in einem Abstand befinden und die Flüssigkeit durch den Raum zwischen den Oberflächen strömt.

7.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit einem innerhalb eines Gehäuses rotierenden Tiegel, auf dem mindestens ein Substrat befestigt ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Tiegel (2) radial innerhalb der Befestigungsstelle für das Substrat (6) einen Vorratsraum (4) für die Flüssigkeit und radial außerhalb der Befestigungsstelle einen Abflußraum (8) hat und daß diese beiden Räume durch einen an der zu beschichtenden Substratoberfläche vorbeiführenden Kanal (7) verbunden sind.

8.) Vorrichtung nach Anspruch Ί , dadurch gekennzeichnet , daß die Wände des Kanals (7) mindestens teilweise durch die zu beschichtenden Oberflächen zweier parallel im Abstand zueinander im Tiegel (2) befestigter Substrate (6) gebildet sind.

9.) Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,dadurch gekennzeichnet , daß im Tiegel (2) symmetrisch zur Rotationsachse (3) mindestens zwei Kanäle (7) vorgesehen sind.

10.) Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekenn-

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net, daß mehrere Kanäle parallel zueinander in linearer Anordnung vorgesehen sind.

11.) Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,dadurch gekennzeichnet , daß für jeden Kanal (7) ein eigener Vorratsraum (4) ausgebildet ist, der über den zugehörigen Kanal mit einem allen Kanälen gemeinsamen Abflußraum (8) verbunden ist.

12.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Abflußraum (8) ein zwischen Tiegel (2) und Gehäuse (1) befindlicher Ringraum ist, unterhalb dessen das Gehäuse als Auffanggefäß (9) ausgebildet ist.

13.) Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Kanäle (7) einstellbar ist.

14.) Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 10,dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstellen Schwalbenschwanz führungen (10) für die Substrate (6) aufweisen.

15.) Vorrichtung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet , daß den Vorratsräumen (4) Dosiervorrichtungen zum wahlweisen Beschicken vorbestimmter Mengen gegebenenfalls unterschiedlicher Flüssigkeiten zugeordnet sind.

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