DE2445146B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausbildung epitaktischer Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Schicht auf mindestens einem Substrat durch epitaktisches Wachstum, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

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. Es 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

ίο Applications Of ill-V-Compound Films Deposited by Liquid Phase Epitaxy« von H. K r e s s e I und H.

N e I s ο η 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 gekippt, so daß die Flüssigkeit das Substrat überflutet;
das Eintauchverfahren (Seite 118), bei welchem das Substrat in einem aufrechtstehenden Gefäß einfach in die Flüssigkeit eingetaucht wird;

und das Schiebetiegel-Verfahren (Seite 119), bei welchem das Substrat in einen Schieber eingebettet ist, der sich unter einer Platte mit verschiedenen Flüssigkeitsbehältern verschieben läßt, so daß die jeweilige Flüssigkeit das Substrat bedeckt. Als Variante gibt es das Drehtiegelverfahren, bei welchem die Flüssigkeitsbehälter kreisförmig entsprechend einem Revolverkopf angeordnet sind.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß sich epitaktische Schichtdicken unter 0,5 μ nicht mehr reproduzierbar herstellen lassen. Außerdem fließen die nur jnter Einwirkung der Schwerkraft stehenden Lösi.ngen nach der epitaktischen Ablagerung der Schichten meist nicht vollständig vom Substrat ab, und din auf den bewachsenen Substraten verbleibenden Lösungsreste führen zu zusätzlichem ungleichmäßigem 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 Technique« von S. Y. L i e η und J. K. B e s t e 1 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.

Ein ähnliches Verfahren ist in der DE-PS 21 26 487 beschrieben. Hierbei sind die Substrate außerhalb eines .■».entralen Vorratsgefäßes derart gehaltert, daß bei Rotation der Anordnung die Epitaxieflüssigkeit aus dem Vorratsgefäß in den umgebenden Substratraum überläuft und an dessen Wand emporsteigt und dabei die Substrate überflutet. Beim Stillsetzen sammelt sich die Epitaxieflüssigkeit am Boden des Substratraumes und kann von dort nach öffnen eines Ventils durch einen Kanal in einen Abflußraum abgelassen werden. Auch bei diesen beiden Verfahren besteht der Nachteil eines unregelmäßigen Weiterwachsens der abgelagerten Schichten infolge der auf ihnen verbleibenden Flüssigkeitsreste.

Schließlich ist es aus der DE-OS 23 14 109 bekannt, die Epitaxieflüssigkeit von einem zentralen Vorratsraum durch Zentrifugalkräfte zu den an den Seiten von radial angeordneten Kanälen befestigten Substraten zu führen und von dort schließlich nach Ablagerung der gewünschten Schichten unter Einwirkung voi. Zentrifugalkräften auch wieder zu entfernen. Für die Steuerung der Zuführung der Epitaxieflüssigkeit zu den Substraten bzw. zu ihrer anschließenden Entfernung ist es jedoch bei den bekannten Anordnungen notwendig, die einzelnen Teile der verwendeten Vorrichtung gegeneinander zu bewegen. So muß beispielsweise zum Entfernen der Epitaxieflüssigkeit gemäß F i g. 11 dieser Offenlegungsschrift eine die Kanäle nach außen abschließende zylinderförmige Wand gegenüber dem die radialen Kanäle enthaltenden Teil abgesenkt to werden, damit die Epitaxieflüssigkeit aus den keilförmigen Kanälen ablaufen und abgeschleudert werden kann. Die Zuführung der Epitaxieflüssigkeit erfolgt bei dieser Ausführungsform zentral auf einen kreisförmigen Kegel oberhalb der Kanäle, von dessen Mantelfläche sie in die einzelnen Kanäle hineinläuft. Gemäß einer in Fig. 13 der Offenlegungsschrift veranschaulichten Vorrichtung erfolgt dagegen die Zuführung der Epitaxielösung zu den Substraten durch ein Anheben eines zentralen Stempels am Boden eines zylindrischen Vorratsraumes, wodurch die Epitaxielösung durch seitliche öffnungen dieses Vorratsraumes zu den auf einem balkonartigen seitlichen Ansatz des Vorratsraumes angeordneten Substraten aus fließt. Nach erfolgter Einwirkung der Epitaxieflüssigkeit auf die Substrate setzt man die ganze Vorrichtung in Rotation, so daß die Flüssigkeit seitlich von den Substraten heruntergeschleudert wird. Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 14 wird die Epitaxieflüssigkeit aus einer zentralen Mulde durch Zentrifugalkräfte auf die radial außerhalb dieser Mulde so liegenden Substrate transportiert, wo sie durch eine zylindrische Begrenzungswand festgehalten wird. Zur Einwirkung rotiert die Vorrichtung dann nicht mehr, damit sich die Epitaxieflüssigkeit gleichmäßig auf den Substraten verteilen kann. Nach erfolgter Einwirkung wird die zylindrische Begrenzungswand wiederum verschoben, so daß die verbrauchte Flüssigkeit durch seitliche öffnungen bei erneutem Rotieren der Vorrichtung abgeschleudert werden kann. All diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß für die Steuerung der Zuführung oder Abführung der Epitaxieflüssigkeit zu bzw. von den Substraten mechanische Teile des Gerätes bewegt werden müssen. Weiterhin bleibt die Epitaxiefiüssigkeit während der Abscheidung einer epitaktischen Schicht praktisch bewegungslos, also statisch, gegenüber der Substratoberfläche.

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. Auch sollen gegenseitige mechanische Bewegungen von Teilen der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzten Vorrichtungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die irn Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Ansprüchen 2 und 3 sind Möglichkeiten für Ausführungsalternativen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Die weiteren Unteransprüche beinhalten zweckmäßige Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wesentlich ist es bei der Erfindung, daß die das abzuscheidende Material enthaltende Flüssigkeit über die zu bewachsene Oberfläche des Substrats strömt und jegliche Fliiäsigkeitsreste anschließend von der Oberfläche der aufgewachsenen Schicht abgeschleudert werden, so daß kein stellenweises Weiterwachsen, welches Schichtungleichmäßigkeiten ergeben würde, auftreten kann. Die Kraft, unter deren Einfluß man die Flüssigkeit an der Substratoberfläche entlangströmen läßt, kann beispielsweise, wie grundsätzlich bekannt, eine Zentrifugalkraft sein. 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 durch das nachströmende Gas von der zu beschichtenden Substratoberfläche entfernt. Bei einer für diese Variante geeigneten Vorrichtung können mehrere Kanäle parallel zueinander in linearer Anordnung vorgesehen sein; statt einer kreisförmigen Anordnung wie bei mit Fliehkraft arbeitenden Vorrichtungen erhält man hier eine lineare Anordnung der Kanäle.

Ein 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 erfindungsgemäße Verfahren bietet ferner den 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 Epitaxieanlage angeschlossen sein können.

Gegenüber dem Stand der Technik gemäß der DE-OS 23 14 109 unterscheidet sich die Erfindung erheblich dadurch, daß für die Zuführung der Epitaxielösung zu den Substraten aus dem Vorratsraum heraus und zur Abführung der Lösung von den Substraten zum

Abflußraum nicht wie dort mechanische Bewegungen von Vorrichtungsteilen erforderlich sind, sondern daß der Transport der Epitaxielüsung ausschließlich durch andere Kräfte bewirkt wird, die nicht mit den Nachteilen der Verschiebung der relativ heißen Teile des Epitaxiegerätes behaftet sind. Hieraus ergeben sich wesentliche Vorteile der Erfindung. Die in den Vorratsraum eingebrachte Epitaxieflüssigkeit, welche eine relativ hohe Oberflächenspannung hat, wird erst unter Einwirkung dieser Kräfte (beispielsweise Zentrifugalkraft oder Gasdruck) durch die spaltförmigen, also relativ engen Kanäle gedruckt, wo sie an den Oberflächen der Substrate vorbeiströmt, um dann in den Abflußraum gedrückt zu werden. Auch ist dieses Vorbeiströmen vorteilhaft gegenüber einer statischen Einwirkung der Epitaxieflüssigkeit, weil man u. a. über die Drehzahl oder den Gasdruck die Strömungsgeschwindigkeit der Epitaxieflüssigkeit durch die Kanäle sehr einfach variieren kann, so daß man außer der Konzentration des Dotierstoffes einen weiteren Parameter für das epitaktische Wachstum zur Verfügung hat. Man kann so auch sehr dünne Epitaxieschichten gleichmäßig in einfacher und gut reproduzierbarer Weise ausbilden.

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 zeigt

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 Fig. 1 läßt einen innerhalb eines Gehäuses t 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 spaltförmigen Kanäle hindurch geschleuderte Lösung schließlich sammelt.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind die Substrate 6 in Schwalbcnschwanzführungen 10 im Tiegel 2 derart gehaltert, daß ihre epitaktisch zu bewachsenden Oberflächen unter Bildung des Kanals einander gegenüber liegen. Statt in den dargestellten Schwalbenschwanzführungen 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 Beschikkung 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 Epitaxiewachstumsvorgang weitgehend verändem und unterschiedlichen Gegebenheiten 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.

Dann wird der Tiegel in Umdrehung versetzt, so daO das Lösungsmittel aus den Vorratsräumen durch die Kanäle 7 an den einander zugewandten Oberflächen dei Substrate vorbei in den Abflußraum 8 zentrifugiert wird Während des Vorbeiströmens an den Substratoberflächen wachsen aus der Lösung epitaktische Schichten aui den Oberflächen und nach Entleerung der Vorratsräume 4 werden infolge der Zentrifugalkräfte jegliche Lösungsmittelreste von den bewachsenen Oberflächer abgeschleudert. Hierzu kann man, nachdem die Vorratsräume leer sind, die Drehzahl heraufsetzen damit die Zentrifugalkraft zum Freischleudern dei bewachsenen Oberflächen größer wird. Auf diese Weise lassen sich wesentlich gleichmäßigere epitaktische Schichten ausbilden als es bei den bekannten Verfahrer der Fall ist, bei welchen leicht Lösungsmittelreste aul den bewachsenen Schichten verbleiben und zu Unregelmäßigkeiten führen.

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

Obwohl grundsätzlich der Tiegel mit dem Gehäuse fest verbunden sein kann, so daß beide rotieren, ist e; zweckmäßig, den Tiegel 2 im Gehäuse 1 so zu lagern daß nur er rotiert, während das Gehäuse feststeht

fao Diesbezügliche Einzelheiten sind in der Zeichnung nichi besonders dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ausbildung einer Schicht auf mindestens einem Substrat durch epitaktisches Wachstum, bei welchem eine das die Schicht bildende Material enthaltende Flüssigkeit aus einem Vorratsraum heraus in einen das (die) Substrat(e) enthaltenden Kanal und von dort in einen Abflußraum gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit an der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats entlang strömen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch Fliehkrafteinwirkung aus dem Vorratsraum über die Substratoberfläche in den Abflußraum gebracht wird.

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

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einem innerhalb eines Gehäuses rotierenden Tiegel, der radial innerhalb der Befestigungsstelle für das Substrat einen Vorratsraum für die Flüssigkeit und radial außerhalb der Befestigungsstelle einen Abflußraum hat, wobei diese beiden Räume durch einen an der zu beschichtenden Substratoberfläche vorbeiführenden Kanal verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abflußraum (8) ain zwischen Tiegel (2) und Gehäuse (1) befindlicher Ringraum ist, unterhalb dessen das Gehäuse als Auffanggefäß (9) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle parallel zueinander in linearer Anordnung vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, 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.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Kanäle (7) einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstellen Schwalbenschwanzführungen (10) für die Substrate (6) aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Vorratsräumen (4) Dosiervorrichtungen zum wahlweisen Beschicken vorbestimmter Mengen gegebenenfalls unterschiedlicher Flüssigkeiten zugeordnet sind.