DE2749207C2

DE2749207C2 - Anordnung zum Aufbringen einer Substanzschicht auf einem Substrat mittels Mulekularstrahlen

Info

Publication number: DE2749207C2
Application number: DE2749207A
Authority: DE
Inventors: Patrick Etienne; Nguyen Trong Bourg-la-Reine Linh; Jean Orsay Massies
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-11-05
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1984-06-14
Also published as: FR2370320B1; GB1545666A; US4160166A; FR2370320A1; DE2749207A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufbringen einer Substanzschicht auf einem Substrat mittels Molekularstrahlen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Zeitschrift »Vakuumtechnik«, 21 (1972), Seiten 165 bis 169 ist bereits eine derartige Anordnung zum Aufbringen einer Substanzschicht auf ein Substrat mittels Molekularstrahlen bekannt, die im Inneren einer evakuierten Kammer durch Verdampfen der Substanz in einer Verdampfungsvorrichtung erzeugt werden. Ein massenspektrometrisches Gasanalysiergerät liefert an seinem Ausgang ein die Intensität des Molekularstrahls angebendes Intensitätssignal, das in eine Regelschleife für die Verdampfungsvorrichtung mündet. Durch die Regelschleife wird die Verdampfungsrate auf einem vorgegebenen Wert gehalten.

Zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist weiterhin aus den »Journal of Applied Physics« 45 (1974), Seiten 1258—1263 bekannt, in einer evakuierten Kammer mehrere Verdampfungszellen anzuordnen, die elektrisch beheizt werden. Eine erste Verdampfungszelle erzeugt einen Molekularstrahl einer ersten Molekülsorte, z. B. Arsenmoleküle, während eine zweite Verdampfungszelle z. B. einen Molekularstrahl aus Galliummolekülen erzeugt, um den Niederschlag einer epitaktischen GaAs-Schichi zu erzielen. Die Verdampfungszellen haben eine mehr oder weniger große öffnung, die so angeordnet ist, daß der Molekularstrahl auf ein Target (beispielsweise ein Epitaxiesubstrat) gerichlct wird, wobei sich die gesamte Anordnung im Vakuum (Restdruck von 10-'" bis 10"^b Torr) befindet. Die Regelung der Molekularstrahlen, die aus den verschiedenen Zellen stammen, ist von wesentlicher Bedeutung, denn ihr Verhältnis hat einen bestimmenden Einfluß auf die Zusammensetzung der aufgewachsenen Schicht, die sich an der Oberfläche des Targets bildet, unter Berücksichtigung des Haftfaktors der verdampften Molekülsorten. Insbesondere spielt die Stöchiometrie an der Grenzfläche des epitaktischen Aufwachsens eine we· sentliche Rolle bei den Leistungsdaten der erhaltenen Ha'bleitervorrichtungen. Bei dem herkömmlichen Molekularstrahlen-Regelsystem wird die mit einem Thermoelement gemessene Temperatur jeder elektrisch beheizten Verdampfungszelle einem Sollwert nachgcregelt Dieses Regelsystem weist verschiedene Nachteile auf:

a) Die Intensität des Molekularstrahls, hängt nicht allein von der Temperatur der Verdampfungszelle ab;

b) die Einstellung bereitet aufgrund der Trägheit der Verdampfungszelle Schwierigkeiten; und

c) es besteht keine Möglichkeit, zwei Molekularstrahlen in bezug aufeinander zu regeln.

In der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, 45 (1974), Seiten 1258 bis 1263, wird zwar auch erwähnt, die Intensität der Molekularstrahlcn mit einem massenspektrometrischen Gasanalysiergerät im Inneren der evakuierten Kammer zu messen. Das Problem der Regelung der Intensitäten der Molekularstrahlen untereinander und der Abstimmung dieser Intensitäten aufeinander ist jedoch nicht behandelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An-Ordnung zum Aufbringen einer Substanzschicht auf ein Substrat mittels Molekularstrahlen zu schaffen, durch die das Intensitätsverhältnis zweier Molekularstrahlen ohne Rücksicht auf die absoluten Werte der Intensitäten konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgendcti unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In der Figur ist schematisch eine Ultravakuumkammer 1 durch ein gestricheltes Rechteck dargestellt. Zur Vereinfachung ist keines der Geräte, die zur Herstcllung des eigentlichen Vakuums bestimmt sind (Primär- und Sekundärpumpvorrichtungen sowie ggf. Auffänger für flüssigen Stickstoff und Titansublimavionsvorrichtungen), dargestellt. Außerdem ist auch kein Schleusenschieber dargestellt, der gestattet, die zu verarbeitende

so Probe unter Aufrechterhaltung des Hochvakuums in dem übrigen Teil der Kammer auszuwechseln.

Zwei Verdampfungszellen A, ßsind derart installiert, daß ihre Molekularstrahlen in ein- und demselben Punkt konvergieren, der auf der Achse der Vakuumkammer 1 und auf der Oberfläche eines Substrats 2 liegt.

Ein massenspektrometrisches Gasanalysiergerät ist so installiert, daß es eine Sonde 14 in der Nähe eines Punktes aufweist, der sich auf der Achse der Vakuumkammer befindet, beispielsweise auf der von den nicht dargestellten Pumpvorrichtungen abgewandten Seite. Diese Sonde weist beispielsweise einen Quadrupol-Analysalor mit einer Achse auf, die die Achse der Vakuumkammer 1 schneidet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im fol-

b5 genden das Prinzip eines Gasanalysiergeräts mit einem Quadrupol-Analysator kurz beschrieben. Ionen werden aus den Gasmolekülen oder -atomen (oder Dämpfen) durch eine Quelle beschleunigter Elektronen erzeugt.

die sich in der Sonde 14 befindet Die Ionen werden ihrerseits durch passend vorgespannte Elektroden beschleunigt und dann auf die Achse des Quadrupol-Analysators fokussiert. Ein Quadrupol-Analysator enthält vier parallele Stäbe, die in bezug auf die vorgenannte Achse, die auch zu ihnen parallel ist, symmetrisch angeordnet sind und auf Potentialen liegen, welches zum Teil Gleichstrompotentiale (Spannungen + U) und zum Teil Wechselstrompotentiale ( + VO cos cot) sind. Eine Analysiereinheit 15 erzeugt Spannungen i/und VO derart, daß eine Bahnstabilitätsbedingur.g für ein vorbestimmtes Ion erfüllt ist

Wenn die Bahnstabilitätsbedingung erfüllt ist, durchqueren die Ionen mit vorbestimmter Masse die Struktur und werden an dem Ausgang durch einen Detektor auf- 15 Dann gilt gefangen, der in der Sonde 14 enthalten ist. Der ermittelte Strom wird durch die Einheit 15 zu einer elektroni- VO= Vb — V_A sehen Analysiereinrichtung 16 übertragen, die als Peak-Selektor bezeichnet wird. Der Selektor 16 enthält zwei Ausgänge M₁IA 20

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Vcrdampfungszellen vorhanden, eine für Arsen und eine für Gallium.

Eine Regelschleife verbindet den Ausgang 14 des Peak-Selektors 16 mit dem Eingang der elektrischen Widerstandsheizung der Verdampfungszelle A.

Diese Regelschleife enthält:

205, die analog und in gleicher Weise angeordnet sind, dagegen befindet sich jedoch am Eingang des Reglers 19ß em Vergleicher 180 (beispielsweise ein Differenzverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1), dessen Pluseingang mit dem Ausgang der mittelnden Normierschaltung \7B verbunden ist, während sein Minuseingang mit dem Ausgang der Schaltung \7A (parallel mit dem Eingang des Reglers \9A) verbunden ist. Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:

a und Vs seien die Ausgangsspannungen der Schaltungen 17A und 17Z? und VO sei die Ausgangsspannung des Vergleichers 180.

Wenn mit kA und kB die Normierungsfaktoren der Schaltungen 174 und 175 und mit »Strahl A« und »Strahl B« die an den Ausgängen IA und \Babgegebenen Signale bezeichnet werden, gilt:

Va = k_A - Strahl A V₈ = k_B ■ Strahl B

Wenn gilt:

VO =

30

dann ist:

eine mittelnde Normierschaltung 174, die die periodischen Stromimpulse, die sich aus den Massendurchläufen des Quadrupol-Analysators ergeben, in eine Gleichspannung umzuwandeln, welche den Mittelwert des durch die Verdampfungszelle 4 aus- V_fl = V_A

gesandten Molekularstrahls repräsentiert; einen PID-Regler 194 herkömmlicher Art mit drei 35 und infolgedessen: voneinander unabhängigen Regelfunktionen (Proportional-, Integral- und Differentialregelung), der in herkömmlicher Weise eine Vergleichsstufe enthält, die einen Sollwert mit dem gemittelten Meßwert vergleicht; und

eine gesteuerte Stromversorgung 204 für die Verdampfungszelle 4.

k_B ■ Strahl B = k_A ■ Strahl A
und es kann dafür geschrieben werden:

40 Strahl B Strahl A

Die Regelsehleifc arbeitet folgendermaßen. Solange die von der Schaltung 174 abgegebene Spannung kleiner als ein Sollwert ist, reicht die von dem Regler 194 abgegebene Spannung niuhl aus, um den von der Stromversorgung 204 gelieferten Strom zu unterbrechen, und die Verdampfungszelle A wird weiterhin beheizt, so daß sie einen stärker werdenden Molekularstrahl aussendet. Wenn der Molekularstrahl einen gewissen (durch Versuche eingestellten) Wert überschreitet, werden die abgegebenen Spannungen so groß, daß die Stromversorgung der Verdampfungszelle A unterbrochen and der Molekularstrahl schwächer wird.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel gestattet eine solche Regelschleife, den Galliumstrahl auf ±1% und den Arsenstrahl auf ± 3% zu regeln.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung soll nun erreicht werden, daß der beispielsweise von der Verdampfungszelle B ausgesandte Molekularstrahl (der als Strahl B bezeichnet wird) so geregelt wird, daß das Intensitätsvcrhältnis der beiden Molekularstrahlen konstant gehalten wird.

Zu diesem Zweck ist bei dem Ausführungsbeispiel die Regelschleifc der Verdampfungszelle B (Schleife B) anders aufgebaut als die der Verdampfungszellc A. Die Schleife B enthält zwar auch Elemente 17ß. I9ß und In dem Fall, in welchem diese Gleichheit eingehalten wird, wird das Verhältnis der Strahlen durch folgendes Verhältnis bestimmt:

50 In der Praxis werden die Faktoren k_A und k_B so gewählt, daß sich der Wert des gewünschten Verhältnisses ergibt, der beispielsweise bei der Epitaxie von AsGa gleich 1 ist.

Die Wahl der Faktoren k_A und k_B erfolgt konstruktionsgemäß und später durch Einstellung der Schaltungen 174 und 175.

Die Verwendung anderer massenspektrometrischer Gasanalysiergeräte wie zum Beispiel Massenspektro-

meter mit elektrischer oder magnetischer Ablenkung, Hochfrequenz-Massenspektrometer, Flugzeit-Massenspektrometer oder Massenspektrometer mit einem Monopol-Analysator, ist in gleicherweise möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Aufbringen einer Substanzschicht auf ein Substrat mittels Molekularstrahlen, die im Inneren einer evakuierten Kammer durch Verdampfen der Substanz in einer Verdampfungsvorrichtung erzeugt werden, mit einem massenspektrometrischen Gasanalysiergerät, das an seinem Ausgang ein Intensitätssignal der Molekularstrahlen liefert, wobei das Intensitätssignal in einer Regelschleife für die Verdampfungsvorrichtung mündet, durch die die Verdampfungsrate auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer aus zwei verschiedenen Molekülsorten bestehenden Substanzschicht die Verdampfungsvorrichtung aus je einer Verdampfungszelle für eine der betreffenden Niolekülsorten besteht, daß die beiden von dem Gasanalysiergerät gelieferten Intensitätssignale für die beiden Moleküfsorten nach entsprechender Normierung an den beiden Eingängen eines Vergleichers anliegen und daß das Ausgangssignal des Vergleichers in der Regelschleife mündet, die die Verdampfungsrate einer der beiden Verdampfungszellen regelt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Molekülsorten Arsen- und Galliummoleküle sind.