DE3211051A1

DE3211051A1 - Vorrichtung und verfahren fuer molekularstrahlniederschlag auf einer vielzahl substrate

Info

Publication number: DE3211051A1
Application number: DE19823211051
Authority: DE
Inventors: John Condon 07976 New Providence N.J. Bean
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1982-03-25
Publication date: 1982-10-21
Also published as: FR2502643A1; JPH0666258B2; GB2095704A; DE3211051C2; FR2502643B1; JPS57170519A; GB2095704B

Description

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Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren für Molekularstrahlniederschlag auf einer Vielzahl Substrate

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für Molekularstrahlniederschlag, insbesondere auf einen gleichzeitigen Niederschlag von Materialien auf eine Vielzahl Substrate mit Hilfe einer oder mehrerer Molekularstrahlen.

Molekularstrahlniederschlag kann allgemein definiert werden als ein Verfahren zum Aufwachsenlassen von Schichten unter ultrahohem Vakuum durch Richten von einem oder mehreren Molekularstrahlen auf ein Substrat. Ein speziellerer Ausdruck, der den Sachverhalt in den meisten Fällen vielleicht genauer beschreibt, ist die Molekularstrahlepitaxie (MBE), die sich auf epitaktisches Schichtwachstum auf einkristallinen Substraten in einem Verfahren bezieht-, das im Regelfall entweder die Reaktion einer oder mehrerer Molekularstrahlen mit dem Substrat oder den Niederschlag der Strahlpartikel auf dem Substrat

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betrifft. Der Ausdruck "Molekularstrahl" bezieht sich auf Strahlen aus monoatomaren Partikeln und/oder aus polyatomaren Partikeln. Der Ausdruck Molekularstrahlniederschlag umfaßt daher sowohl epitaktisches Schichtwachstum als auch nichtepitaktische Aufwachsprozesse. Ein Beispiel für Molekularstrahlniederschlag ist das Aufwachsen von polykristallinen GaAs-Schichten oder amorphen Siliciumschichten auf Substraten.

Molekularstrahlniederschlag, der als eine Variation des einfachen Aufdampfens im Vakuum aufgefaßt werden kann, bietet eine bessere Kontrolle über die am Substrat auftreffende Spezies als bei der Bedampfung im Vakuum. Die gute Kontrolle über die auftreffenden Spezies, gekoppelt mit den hierbei möglichen niedrigen Aufwachsgeschwindigkeiten, ermöglicht das Aufwachsen von Dünnschichten, deren Zusammensetzungen einschließlich Dotierstoffkonzentrationen genau definiert sind. Die Zusammensetzungssteuerung wird durch den Umstand unterstützt, daß das Aufwachsen generell bei relativ niedrigen Substrattemperaturen im Vergleich zu anderen Aufwachsmethoden stattfindet, beispielsweise Flüssigphasenepitaxieverfahren oder Dampfreaktionsniederschlagsverfahren, und daß Diffusionsvorgänge sehr langsam sind. Praktisch beliebige Schichtzusammensetzungen und Dotierprofile können bei

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genau gesteuerten Schichtdicken erreicht werden. Tatsächlich können Schichten in einer Dicke bis herab zu der von Monoschichten im Molekularstrahlepitaxieverfahren gezüchtet werden. Des weiteren erlauben die relativ niedrigen Aufwachsteroperaturen das Aufwachsen von Materialien und den Einsatz von Substratmaterialien, die bisher nicht bei den mit höheren Temperaturen arbeitenden Aufwachsmethoden benutzt werden konnten, weil Austauschvorgänge die gewünschten Zusammensetzungseigenschaften verschlechtern würden.

Molekularstrahlepitaxie ist zur Herstellung von Schichten oder Dünnschichten aus zahlreichen Halbleitermaterialien, einschließlich der IV-Halbleiter, der III-V-Verbindungshalbleiter, der II-VI-Verbindungshalbleiter und der IV-VI-Verbindungshalbleiter, benutzt worden. Innerhalb des III-V-Halbleitersystems sind Bauelemente, wie IMPATT-Dioden, Mikrowellen-Mischdioden, Doppelheterostruktur-Übergangs laser und Bauelemente mit Uberstruktur (superlattice) hergestellt worden. Molekularstrahlepitaxie für elementare Materialien, beispielsweise Si, ist erst in kürzerer Zeit entwickelt worden und Bauelemente, wie pn-, pin- und Varaktordioden sowie MOSFET-Bauelernente sind hergestellt worden. Das Interesse für die Si-MoIe-

kularstrahlepitaxie hat neuerdings zugenommen wegen der Entwicklung von Silicium-Metallsilicid-Heterostrukturen und verbessertem Silicium-auf-Isolator-Wachstum.

Eine erfolgreiche Anwendung der Molekularstrahlepitaxie hat selbstverständlich die Entwicklung neuer Vorrichtungen erfordert. Diese Entwicklung ist nunmehr so weit, daß kommerzielle Molekularstrahlepitaxie-Vorrichtungen erhältlich sind. Jedoch haben diese Vorrichtungen, ebenso auch die in Gebrauch befindlichen Forschungs- und Entwicklungsvorrichtungen generell begrenzte Verfahrensmöglichkeiten. Beispielsweise ist ein Niederschlag aus einer großen Anzahl Molekularstrahlen und eine Bearbeitung einer großen Anzahl Wafer in relativ kurzer Zeit üblicherweise nicht möglich. Die Zusammensetzungen, die aufgewachsen werden können, und der Ausstoß der Vorrichtung sind daher begrenzt.

Diese begrenzte Bearbeitungsmöglichkeit rührt von vielen Faktoren her. Die wichtigsten Faktoren betreffen Vorrichtungen, die einen Niederschlag auf jeweils nur einem einzigen Substrat erlauben und relativ mühsame Methoden benutzen, um ein Substrat zwischen verschiedenen Kammern zu transportieren, beispielsweise zwischen der Aufwachskammer und einer Untersuchungskammer, die zur Aufnahme von Instrumenten für die Charakterisierung

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von Substratoberflächen vorgesehen ist, oder ein Substrat von einer Aufwachsstation zu einer Untersuchungsstation zu bewegen. Weiterhin erfordert die Notwendigkeit einer gleichförmigen Zusammensetzung auf dem Substrat typischerweise, daß der Fluß aus jedem Ofen über der Substratfläche konstant ist. Dieses Erfordernis begrenzt daher die Anzahl öfen, die gleichzeitig benutzt werden können. Zusätzlich begrenzt eine fehlende Bauteilstandardisierung zwischen beispielsweise einer Untersuchungs- und einer Aufwachskammer die Flexibilität der Vorrichtung und erhöht die Kosten.

Neuere Entwicklungen haben die Bearbeitüngsmöglichkeiten verbessert. Beispielsweise beschreibt US-A-41 37 865 eine Molekularstrahlapparatur für einen sequentiellen Materialniederschlag auf eine Vielzahl Substrate, d. h. der Niederschlag auf ein Substrat beginnt und wird beendigt, bevor mit dem Niederschlag auf dem folgenden Substrat begonnen wird. Eine ausdrücklich für Silicium entworfene Molekularstrahl-Versuchsapparatur ist beschrieben in Journal of Crystal Growth, 45, Seiten 287 bis 291, Proceedings of the Fourth International Conference on Vapor Growth and Epitaxy, Nagoya, Japan, 9. bis 13. JuIi 1978. Die Apparatur hat nur eine einzige Kammer und kann nur jeweils ein einziges Substrat ver-

arbeiten, d. h., immer nur ein Substrat befindet sich im betrachteten Zeitpunkt in der Kammer. Eine andere Apparatur, die ebenfalls speziell für Silicium entworfen wurde, ist beschrieben in Journal of Applied Physics, 48 (1977) 3345 - 3399. Diese Apparatur eignet sich zwar gut für Silicium-Molekulstrahlepitaxie, aber auch sie kann immer nur jeweils ein einziges Substrat bearbeiten.

Des weiteren kann die Verwendung einer vertikalen Niederschlagsgeometrie dazu führen, daß Flocken aus angesammeltem Material zurück in die Molekularstrahlquellen fallen. Wenn dieses auftritt, kann die Flocke entweder die Quelle verunreinigen oder so rasch verdampfen, daß auf der epitaktisch aufwachsenden Schicht Kristalldefekte erzeugt werden. Um diese unerwünschten Ergebnisse zu vermeiden, werden III-V-Verbindungshalbleiter-Molekularstrahlepitaxievorrlchtungen mit Knudsen-Effusionsquellen im allgemeinen gegen die Vertikale geneigt, um einen nahezu horizontalen Niederschlag zu ermöglichen. Eine solche Neigung ist bei Elektronenstrahl-Verdampfungsquellen nicht möglich, die im allgemeinen für Silicium-Molekülarstrahlepitaxie verwendet werden.

Bei einem Molekularstrahlniederschlagsverfahren, bei dem

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die Erfindung wie beansprucht benutzt wird, wird eine Halterungsplatte, an der eine Vielzahl Substrate befestigt sind, gedreht, um die Substrate der Reihe nach in den Weg eines Molekularstrahls zu bringen. Auf diese Weise werden alle Substrate gleichzeitig in dem Sinne bearbeitet, daß der gewünschte Niederschlag auf allen Substraten in einem einzigen Verfahrensschritt ausgeführt wird. Des weiteren ist es dabei möglich, vertikale Molekularstrahlquellen zu benutzen, da die Halterungsplatte, zusammen mit den Substraten, praktisch das gesamte Gebiet direkt oberhalb der Strahlquelle einnimmt. Daher können, weil die Halterungsplatte mit den Substraten entfernt und vor Wiedergebrauch gereinigt werden kann, größere, zu abblätternden Flocken Anlaß gebende Materialansammlungen vermieden werden. Durch Verwendung mehrerer Kammern einschließlich Beschickungs/Entnahmekammern, die mit der Aufwachskammer über Ventile miteinander verbunden sind, und einer Transporteinrichtung zum Transportieren der Halterungsplatte von Kammer zu Kammer, kann ein Niederschlag sukzessive auf einer Mehrzahl Halterungsplatten voller Substrate ausgeführt werden, ohne die Aufwachskammer auf atmosphärischen Druck zu bringen.

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Nachstehend sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Aufwachskammer litngs der Linie 1-1 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Halterungsplatte für die Anordnung nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 und 5 Schrägansichten zweier Transporteinrichtungsformen zum Transportieren der Halterungsplatte in der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2, und

Fig. 6 die Abhängigkeit des Abstandes zwischen Substrat und Ofen (Ordinate) vom radialen Abstand eines Substrats von der Drehachse der Dreheinrichtung (Abszisse) für verschiedene Flußankunftsraten am Substrat.

In der Zeichnung sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 besitzt eine erste Beschickungs/Entnahmekammer 10, eine Untersuchungskammer 20, eine Aufwachskammer 30 und eine zweite Beschickungs/ Entnahmekarnmer 40. Die Kammern sind zylindrisch und aus rostfreiem Stahl gefertigt. Die Kammern 10 und 40 sind vorzugsweise identisch, ebenso die Kammern 20 und 30 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Merkmale. Luftschotten oder Ventile 11, 21 und 31 befinden sich je zwischen den Kammern 10 und 20, den Kammern 20 und 30 bzw. den Kammern 30 und 40, und trennen je benachbarte Kammern voneinander oder verbinden diese, je nachdem, wie dieses gewünscht ist. Der Aufbau dieser und anderer in der Vorrichtung vorhandener Luftschotten ist bekannt - siehe US-A-41 37 865 - und braucht daher nicht im einzelnen erörtert zu werden.

Die Kammer 10 weist des weiteren einen Verschluß 101 auf, der in der dargestellten Vorrichtung eine an die Kammer 10 angelenkte Platte ist, und nach öffnen ermöglicht,, eine Halterungsplatte 500, die eine Vielzahl Substrate 550 hält, innerhalb der Kammer 10 unterzubringen. Eine Pumpe 102 evakuiert die Kammer 10 über ein Ventil 103 nach Beschickung der Kammer mit der die Substrate halternden Platte. Der gewünschte Druck ist typischerweise 4/3 Nanobar (10 Torr). Die Transporteinrichtung 230

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- 14 befindet sich unterhalb der Halterungsplatte 500.

Die Untersuchungskammer 20 hat eine Pumpe 201, die an die Kammer über ein Ventil 202 und eine Baffel 203 angeschlossen ist. Die Kammer umfaßt des weiteren eine Hülse 205, ein Heizelement 207, eine Strahlungswärmeabschirmung 209, eine Welle 210 mit einem Flansch 211 zur Lagerung der Halterungsplatte 500 nebst deren Substrate 550, eine Antriebseinrichtung 212 für die Welle 210 und einen Balgen 213. Die Transporteinrichtung 230 verläuft unterhalb der Halterungsplatte 500. Präparierungs- und Untersuchungswerkzeuge, die Zugriff zur Kammer 20 über einen Flansch 214 haben, umfassen im allgemeinen ein Zerstäubungssystem 215, ein Infrarotpyrometer 217 und eine Untersuchungsstation 240, die für Analysen, wie Infrarotpyrometrie, Auger-Elektronenspektroskopie, Sekundärionenmassenspektroskopie usw. ausgerüstet sein kann.

Die Pumpe 201 ist typischerweise eine Kryopumpe, die

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Drücke von 4/3 χ 10 Nanobar (10 Torr) oder weniger zu erreichen vermag. Kryogene Flüssigkeiten, z. B. flüssiger Stickstoff (LN_?), werden durch die Hülse 205 zu deren Kühlung gepumpt. Das Heizelement 207 ist üblicher

Bauart und ist in der dargestellten Vorrichtung zur Beheizung der ganzen Halterungsplatte 500 und damit aller Substrate vorgesehen. Falls gewünscht, kann das Heizelement 207 auch so ausgelegt sein, daß es nur einen Teil der Halterungsplatte 500 beheizt. Die dargestellte Wärmeabschirmung 209 ist ringförmig, obgleich eine zylindrische Abschirmung ebenfalls benutzt werden könnte. Sie umgibt die Heizelemente. Wenn nur ausgewählte Teile der Halterungsplatte 500 zu beheizen sind, dann wird die Strahlungswärmeabschirmung 209 zweckmäßig so geformt, daß sie nur die beheizten Teile abschirmt. Die Strahlungswärmeabschirmung 209 und die Halterungsplatte 500 sind erwünschtermaßen aus einem feuerfesten Material, das hinsichtlich des niederzuschlagenden Materials vergleichsweise chemisch inert ist. Beispielsweise ist Tantal ein bevorzugtes Material, wenn Silicium niedergeschlagen wird. Der Plansch 211 trägt die Halterungsplatte 500 und ist mit dieser reibungsgekoppelt. Sie ermöglicht daher, die Halterungsplatte 500 nebst den hieran befestigten Substraten 550 mit Hilfe der Welle 210 zu drehen. Der Balgen 213 ist zweckmäßig aus rostfreiem Stahl und ermöglicht ein Anheben oder Absenken der Antriebseinrichtung 212, ebenso auch eine Drehung der Welle 210 und damit der Halterungsplatte 500.

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Der Molekularstrahlniederschlag in Form wenigstens einer Schicht aus wenigstens einem Material auf einer Vielzahl Substraten findet innerhalb der Aufwachskammer 30 statt. Die Vakuumbedingungen werden in der Aufwachskammer 30 typischerweise durch eine Kryopumpe 301 erreicht, die an die Kammer 30 über ein Ventil 302 und eine HaCfel 303 nnqenchlosaen lot·.. Die Pumpe sollte in der Lage sein, einen Druck von 0,4/3 pbar (10 Torr) oder darunter aufrechthalten zu können. Das Innere der Kammer ist von einer Hülse 305 umgeben, die wie die Hülse der Untersuchungskammer aufgebaut ist und ebenfalls kryogen gekühlt wird durch beispielsweise flüssigen Stickstoff. Die Aufwachskammer 30 hat des weiteren eine Ionenquelle 306 für Donatoren (η-Typ) und eine Ionenquelle 308 für Akzeptoren (p-Typ). Obgleich zwei lonenquellen dargestellt sind, versteht es sich, daß entweder weniger oder mehr lonenquellen in Abhängigkeit von den jeweils herzustellenden Bauelementen benutzt werden können. Verschlußtriebe 309 und 311 steuern die Stellung der Verschlüsse 313 bzw. 315, die zur Einleitung oder Beendigung eines Ionenflusses von den Quellen 306 bzw. 308 zu den in Aufwachsstellung befindlichen Substraten 550 benutzt werden. Die Verschlußtriebe und lonenquellen sind in die Kammer 30 über den Flansch 316 eingeführt. Vorzugsweise ist die Kammer 30 oberhalb des

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Flansches 316 im wesentlichen identisch mit der Kammer 20 oberhalb des Flansches 214. Bei einer für Siliciumabscheidung bevorzugten Vorrichtung sind die Ionenquellen 306 und 308 Feldemissionsionenquellen wegen deren kompakter Größe und weil keine Notwendigkeit für ein Differenzpumpen besteht, da kein Gas für ein Plasma vorhanden ist. Obgleich Feldemissionsquellen bevorzugt sind, können auch Knudsen-Effusionszellen benutzt werden.

Die Transporteinrichtung 230 ist unterhalb der Halterungsplatte 500 angeordnet. Die Aufwachskammer 30 enthält des weiteren eine Welle 318, die die Halterungsplatte 500 nebst den hieran angebrachten Substraten 550 lagert, und eine Antriebseinrichtung 320 für die Welle 318. Die Welle 318 ist mit der Antriebseinrichtung 320 über einen Balgen 322 verbunden. Dies erlaubt der Antriebseinrichtung 320 ein Heben und Senken der Halterungsplatte. Ein Flansch 319 auf der VJeIIe 318 sorgt für eine Reibungskupplung zur Halterungsplatte 500, und damit für deren Drehung mit Hilfe der Antriebseinrichtung 320. In der angehobenen Halterungsplattenposition werden die Substrate 550 entweder in einer Aufwachsstellung oder in einer solchen Stellung gehalten, aus der sie in eine Aufwachsstellung gedreht werden können. Auch die Aufwachskammer 30 hat Heizelemente 324 für die

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Substrate 550. Die Heizelemente 324 sind von einer Strahlungswärmeabschirmung 326 umgeben. Die Wärmeabschirmung 326 ist ringförmig dargestellt, obgleich auch eine zylindrische Form benutzt werden könnte, wie dieses in Zusammenhang mit der Untersuchungskammer 20 beschrieben worden ist. Die Heizelemente 324 werden jedoch alles unterhalb der Wärmeabschirmung 326 gelegene erwärmen, da alle Substrate gleichzeitig beschichtet werden. Ein Infrarotpyrometer 328 dient zur Überwachung der Temperatur der Substrate 550. Die Kammern 20 und 30 sind bei der dargestellten Vorrichtung identisch, ausgenommen der verschiedenen Elemente, öfen und der Untersuchungsgeräte, die Zugriff zur Kammer über den großen Bodenflansch haben.

Eine zweite Beschickungs/Entnahmekammer 40 weist einen aufmachbaren Verschluß 101 auf, der eine Entnahme der Halterungsplatte 5OO nebst Substraten 550 gestattet, ferner eine Pumpeinrichtung 402, die an die Kammer über ein Ventil 403 angeschlossen ist. Eine Transporteinrichtung 230 befindet sich unterhalb der Halterungsplatte 500. Aus Gründen verringerter Herstellungskosten ist die Kammer 40 vorzugsweise mit der Kammer 10 identisch und braucht deshalb nicht weiter beschrieben zu werden.

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Obgleich eine Vorrichtung beschrieben worden ist, die zwei Beschickungs/Entnahmekammern, eine Untersuchungskammer und eine Aufwachskammer besitzt, können auch andere Anordnungen gewählt werden. Beispielsweise kann eine zweite Untersuchungskammer zwischen der Aufwachskammer und der zweiten Beschickungs/Entnahmekammer angeordnet werden, oder die Untersuchungskammer könnte weggelassen oder mit der ersten Beschickungs/Entnahmekammer kombiniert werden. Außerdem könnten zv/ei Aufwachskammern benutzt werden, um Quer-Verunreinigungen zu vermeiden. Beispielsweise könnte Silicium in der einen Kammer niedergeschlagen werden und GaP in einer anderen Kammer, um eine Verunreinigung mit Phosphor in der Siliciumkammer zu verhindern. Schließlich könnte der Zugang zu und von Untersuchungs- und Aufwachskammer von einer einzigen Beschickungs/Entnahmekammer aus erfolgen, obgleich der Wirkungsgrad der Vorrichtung bezüglich der Anzahl bearbeiteter Substrate wahrscheinlich geringer werden würde.

Wie aus der Schnittansicht der Aufwachskammer 30 in Fig. 2 dargestellt ist, enthält die Kammer 30 des weiteren öfen 330 und 332, Niederschlagsmeßgeräte 334 und 336 und eine Transporteinrichtung 230. Die öfen erzeugen Molekularstrahlen, die auf eine Aufwachsposition

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gerichtet sind. Obgleich zwei öfen dargestellt sind, können mehr oder weniger öfen benutzt werden, wenn eine größere oder kleinere Anzahl von Molekularstrahlen gewünscht wird. Verschlüsse 338 und 340 eröffnen oder beendigen den Strahlfluß aus den öfen 330 und 332 zur Aufwachsposition, nachdem die öfen erhitzt worden sind. Die Stellung der Verschlüsse 338 und 340 werden durch Verschlußtriebe 342 und 344 gesteuert. Es sei angenommen, daß für die dargestellte Vorrichtung wenigstens ein Ofen mit Silicium beschickt wird, das durch einen Elektronenstrahl, dessen Quelle nicht dargestellt ist, erschmolzen wird. Ein entsprechend geformtes Siliciumstück wird in dem Ofen angeordnet, und der Elektronenstrahl schmilzt nur den Mittelteil des Siliciums auf, wobei das ungeschmolzene Silicium als Tiegel für das geschmolzene Silicium dient. Diese Schmelzmethode ist allgemein bekannt. Der zweite Ofen kann beispielsweise mit Silicium oder Kobalt beschickt werden, wenn SiIicium-Metallsilicid-Heterostrukturen herzustellen sind.

Während die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 als Molekularstrahlniederschlagsvorrichtung beschrieben ist, brauchen die dargestellten öfen nicht notwendigerweise Knudsen-Effusionsöfen sein, wie diese typischerweise bei der Molekularstrahlepitaxie für III-V-Verbindungs-

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halbleiter benutzt werden. Ersichtlich kann ein Aufwachsen auf irgendeinem Substrat an mehr als einer Aufwachsstellung stattfinden, wenn die Aufwachskammer mehr als eine Molekularstrahlquelle hat. Die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 kann auch zum Niederschlagen von Metallen wie Gold oder Kupfer in nichtepitaktischem Wachstum benutzt werden.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf eine Halterungsplatte 500. Sie ist dafür ausgelegt, die Substrate zu halten, ist wünschenswerterweise kreisförmig mit einer Zentralbohrung 560 zur Aufnahme der Welle 218, 310. Die Substrate 550 können Halbleitersubstrate, ζ. B. Siliciurasubstrate, sein oder isolierende Substrate, z. B. Saphir-Substrate, sein und sind in eine Vielzahl Bohrungen eingepaßt, die mit einer Schulter zur Aufnahme und Halterung der Substrate versehen sind. Diese Vertiefungen werden wie die dargestellten Substrate generell kreisförmig sein, und ihre Zentren haben einen Abstand r vom Mittelpunkt der Halterungsplatte und liegen vorzugsweise um einen Winkel von 36O°/n auseinander, wenn η die Substratanzahl ist. Die dargestellte Halterungsplatte hat einen Durchmesser von etwa 35,5 cm und enthält acht Substrate eines Durchmessers von etwa 7,5 cm.

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Die Transporteinrichtung für die Halterungsplatte ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 5 transportiert nur die Halterungsplatte, während die Ausführungsform nach Fig. 5 die Halterungsplatte und einen letztere haltenden Rahmen transportiert. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird eine Halterungsplatte 500 mit Substraten 550 direkt auf einem Gurtantrieb 501 transportiert, der über durch einen Motor 503 angetriebene Rollen 505 geführt ist. Der Motor 503 liegt außerhalb der Kammer und ist mit dem Gurtantrieb durch eine vakuumdichte Durchführung gekoppelt. Die Transporteinrichtung umfaßt den Gurtantrieb 501, die Rollen 505 und den Motor 503. Die Motoren für die einzelnen Kammern sind miteinander synchronisiert, um die Transporteinrichtung in allen Kammern gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit zu betreiben. Alternativ kann ein einziger Motor für den Antrieb der Transporteinrichtung in allen Kammern mit Hilfe einer geeigneten Kupplung zwischen den Transporteinrichtungen benutzt werden. Jede Kammer hat eine Transporteinrichtung, die von der benachbarten Transporteinrichtung durch einen Luftspalt getrennt ist, um ein Schließen der Schotten zwischen benachbarten Kammern zu ermöglichen. Obgleich der dargestellte Antrieb ein Gurtantrieb ist, könnten auch andere Antriebe, beispielsweise ein Kettenantrieb oder ein

Schneckenantrieb, benutzt werden. Die Halterungsplatte 500 braucht nicht direkt auf dem Antriebsgurt 501 geführt zu werden, wie sich aus Fig. 5 ergibt. Dort wird die Halterungsplatte 500 auf einem Tablett 570 transportiert, das mit einer geeigneten Aufnahme zur Lagerung der Halterungsplatte 500 versehen ist. Das Tablett 570 hat hochgezogene Schenkel 572, an denen es vom Gurtantrieb 501 geführt wird.

Die bevorzugte Lage für den Ort der Aufwachsposition der Substrate und öfen bezüglich der Drehachse der Welle 210 kann anhand von Fig. 6 festgestellt werden. Das Substrat rotiert um eine senkrechte Achse, und es sind Punktquellen im radialen Abstand von Eins vorgesehen. Kurven gleichen Flusses an der Aufwachsposition sind aufgetragen als Funktion des Abstandes von Substrat zum Ofen (Ordinate) vom radialen Abstand des Substrates von der Drehachse (Abszisse).

Der einfacheren Erläuterung halber sind auf Ordinate und Abszisse Längeneinheiten in Form von Ofenabstand zur Drehachse aufgetragen, d. h. der Ofen wird als sich im Abstand Eins von der Drehachse entfernt befindlich angesehen. Mit anderen Worten, wenn der Mittelpunkt des

Substrats einen radialen Abstand von einer Einheit von der Drehachse der Welle hat, dann ist dieses derselbe radiale Abstand von der Drehachse, wie diesen der Ofen hat. Wie aus der längeren horizontalen Linie (1), die ein 10 cm-Substrat darstellt, ersichtlich ist, wird ein relativ gleichförmiger Fluß auf der Substratfläche erhalten, wenn der senkrechte Abstand der Substrate vom Ofen etwas größer ist als der Abstand des Ofens von der Drehachse und wenn der horizontale Abstand des Substratmittelpunkts von der Drehachse etwa gleich dem 0,6-fachen des horizontalen Abstandes des Ofens von der Drehachse ist. Die kürzere horizontale Linie (2) stellt ein 7,5 cm-Substrat dar. Ein sehr gleichförmiger Fluß wird ebenfalls erreicht, wenn die Substrate etwa 1,5 Einheiten von der die öfen enthaltenden Ebene entfernt sind und auf der Drehachse zentriert sind. Diese Position ist nicht die bevorzugteste Position, da sie die Anzahl gleichzeitig zu bearbeitender Substrate stark beschränkt. Andere Abstände können für verschiedene Substratdurchmesser ausgewählt werden. Im allgemeinen wird, wenn die Substrate kleiner werden als die beiden soeben beschriebenen, der Abstand zwischen Ofen und Substrat kleiner und der radiale Abstand des Substrats von der Achse größer.

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Bei der beschriebenen Vorrichtung sind die Substrate horizontal in einer flachen relativ dünnen Halterungsplatte angeordnet. Die Verwendung einer flachen Platte minimiert die Bearbeitungskosten einer Halterungsplatte, die aus einem feuerfesten Material hergestellt wird, und verringert auch die benötigte Materialmenge. Andererseits brauchen die Platten nicht flach zu sein.

Für die Beschreibung des Betriebs der Vorrichtung sei angenommen, daß die Kammern anfänglich auf atmosphärischem Druck sind. Dieses braucht nicht zuzutreffen, nachdem die Vorrichtung zu arbeiten begonnen hat. Nachdem die Aufwachs- und die Untersuchungskammer 30 und 20 auf das gewünschte Vakuum gebracht worden sind, können sie unter Vakuum gehalten werden, ausgenommen wenn die öfen neu zu beschicken sind. Auch könnten Druckschleusen vorgesehen werden, um die öfen ohne Unterbrechung des Vakuums erneut beschicken zu können. Als erstes werden Substrate 550 in der ersten Halterungsplatte 500 angeordnet, die dann auf die Transporteinrichtung 230 in der ersten Beschickungs/Entnahmekammer 10 gesetzt wird. Die Substrate 550 werden nach üblichen Methoden zunächst gereinigt, um jegliche Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Das Ventil 11 wird geschlossen, und die Pumpe reduziert bei geöffnetem Ventil 103 den

Druck der ersten Beschickungs/Entnahmekammer 10 auf etwa 4/3 Nanobar (10 Torr). Nachdem der Druck verringert worden ist, wird das Ventil 11 geöffnet. Dieses Ventil 11 kann so gekoppelt werden, daß es sich mit den anderen Ventilen 21, 31 der Vorrichtung gleichzeitig öffnet und schließt, um einen Transport zwischen benachbarten Kammern zu erlauben. Die Transporteinrichtung 230 transportiert die Substrate 550 zur Untersuchungskammer 20, wonach sich das Ventil 11 erneut schließt. Zu diesem Zeitpunkt kann eine zweite Halterungsplatte 500 mit Substraten 550 in die Beschickungs/Entnahmekammer 10 eingesetzt werden. Die an die Untersuchungskammer 20 angeschlossene Pumpe 210 wird den Druck in dieser Kammer auf etwa 4/3 χ 10 Nanobar (10 Torr) reduziert haben. Nachdem die gewünschten Analysen und vorbereitenden Schritte abgeschlossen worden sind, einschließlich einer Reinigung der Substrate mit dem Zerstäubungssystem 215, werden die Ventile 11, 21, 31, die benachbarte Kammern verbinden, erneut geöffnet, und die Transporteinrichtung 230 transportiert gleichzeitig die erste Halterungsplatte 500 zur Aufwachskammer 30 und die zweite Halterungsplatte 500 zur Untersuchungskammer 20. Die Kammer- und Ventilanordnung gestattet einen Vorrichtungsbetrieb, ohne daß die Aufwachskammer 30 oder die Unter-

suchungskairaner 20 jemals auf Atinosphärendruck gebracht wird, es sei denn, daß die öfen oder Ionenquellen neu zu beschicken sind oder andere Wartungsarbeiten durchzuführen sind. Falls gewünscht, könnten Vakuumschleusen benutzt werden, um eine Ofenbeschickung ohne Unterbrechung des Kammervakuums zu ermöglichen. Die Antriebseinrichtung 320 in der Aufwachskammer 30 wird aktiviert und die Welle 318 hebt die Halterungsplatte 500 von der Transporteinrichtung ab und beginnt diese nebst den Substraten 550 in der Aufwachsposition zu drehen. Die Heizelemente 324 heizen sowohl die Substrate 550 als auch die Halterungsplatte 500 auf eine Temperatur etwa zwischen 400 und 1000 ⁰C auf, wenn Silicium niedergeschlagen wird. Höhere Temperaturen können benutzt werden, aber dann werden die Vorteile des MolekularStrahlniederschlags kleiner, weil dann Diffusionsprozesse Bedeutung erlangen. Niedrigere Temperaturen können benutzt werden, wenn ein Aufwachsen von amorphen Materialien durchgeführt wird. Die Temperatur wird am Infrarotpyrometer überwacht.

Da die Halterungsplatte 500 das ganze Gebiet oberhalb der Molekularstrahlquellen 330, 332 einnimmt, werden größere Materialansammlungen vermieden. Die Halterungsplatte 500 kann nach ihrer Entfernung aus der Beschickungs/

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Entnahmekammer 40 und Entnahme der Substrate 550 gereinigt werden. Es können allgemein bekannte mechanische oder chemische Methoden zur Reinigung einer aus chemisch beständigem Material, beispielsweise aus Tantal, bestehenden Halterungsplatte benutzt werden. Das Fehlen jeglicher Materialansammlungen wird das Flockenbildungsproblem, wie dieses üblicherweise bei vertikalen Niederschlagsvorrichtungen auftritt, wenigstens reduzieren, wenn nicht gar vollständig beseitigen. Quer-Verunreinigungen von Molekularstrahlquellen und Epitaxiedefekt stellendichte werden stark verringert.

Silicium wird in wenigstens einen der öfen 330, 332 eingebracht worden sein, und ein von einer geeigneten Quelle herrührender Elektronenstrahl wird wie allgemein bekannt mit Hilfe eines Magnetfeldes auf die Oberfläche des Siliciums gerichtet, wo er den Siliciummolekularstrahl bildet. Dieser Quellentyp eignet sich für Silicium wegen der starken Reaktionsfreudigkeit von geschmolzenem Silicium sehr gut. Die Donator- und Akzeptorquellen 306, 308 werden ebenfalls mit geeigneten Donatoren und Akzeptoren beschickt worden sein, und die Strahlen aus diesen Quellen können eingeleitet oder beendigt werden, indem wie beschrieben die zugeordneten Verschlüsse 313 und 315 geöffnet oder geschlossen werden.

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Nachdem die gewünschten Materialschichten niedergeschlagen worden sind, hört die Antriebseinrichtung mit ihrer Drehung auf und senkt die Halterungsplatte 500 auf die Transporteinrichtung 230 ab. Die Ventile 11, 21, 31 zwischen benachbarten Kammern werden geöffnet, und die Transporteinrichtung 230 transportiert die erste Halterungsplatte 500 aus der Aufwachskammer 30 in die zweite Entnahme/Beschickungskammer 40, während gleichzeitig eine dritte Halterungsplatte 500 von der ersten Entnahme/Beschickungskammer 10 in die Untersuchungskammer 20 und die zweite Halterungsplatte 500 von der Untersuchungskammer 20 zur Aufwachskaramer 30 transportiert werden. Selbstverständlich braucht nicht jede Kammer jeweils eine Halterungsplatte einzuschließen, obgleich in diesem Fall der maximal mögliche Durchsatz in der Vorrichtung nicht erreicht wird.

Die Winkelgeschwindigkeit der Welle 318 und damit der Substrate 500 kann in der Aufwachskammer 30 so gesteuert v/erden, daß Materialschichten der gewünschten Dicke und Zusammensetzung aufwachsen. Beispielsweise kann ein Ofen 330 mit Silicium beschickt sein und der zweite Ofen 332 mit Kobalt, und die Winkelgeschwindigkeit so eingestellt sein, daß alternierende Kobalt-Silicium-Schichten niedergeschlagen werden« Als ein weiteres Bei-

spiel können die Flußraten der Akzeptor- und Donator-Ionenquellen 309, 311 und die Winkelgeschwindigkeit der Substrate so eingestellt werden, daß p- und n-leitende Siliciumschichten in alternierender Folge niedergeschlagen werden. Typische Niederschlagsgeschwindigkeiten liegen zwischen 0,1 und 10 Nanometer pro Sekunde. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten können unerwünschte Niederschläge von Verunreinigungen auftreten und bei höheren Geschwindigkeiten kann die genaue Steuerung schwierig werden. Die im Einzelfall gewünschte Geschwindigkeit wird vom herzustellenden Bauelement abhängen.

Der Betrieb der Vorrichtung ist anhand einer Verwendung von Silicium beschrieben worden. Ersichtlich kann die Vorrichtung auch mit anderen Halbleitermaterialien, beispielsweise den Ill-V-Verbindungshalbleitern benutzt werden. Wenn solche Verbindungshalbleiter aufzuwachsen sind, werden die beschriebenen öfen typischerweise ersetzt durch die zumeist benutzten Knudsen-Effusionszellen. Die Verwendung einer entfernbaren Halterungsplatte oberhalb der öfen wird Flockenbildungsprobleme eliminieren und einen Niederschlag von III-V-Verbindungshalbleitern in der bequemeren vertikalen Richtung erlauben. Hierbei werden die Knudsen-Zellen mit ihren

Achsen parallel zueinander und vertikal ausgerichtet, und nicht nahezu horizontal und gegen eine einzige zentrale Substratposition, und es kann eine viel größere Anzahl öfen benutzt werden. Wenn beispielsweise ein Quellen-Kammerachsen-Abstand von 15 cm benutzt wird, dann können wenigstens 20 Knudsen-Zellen anstatt der sechs bis acht derzeit in kommerziellen Vorrichtungen benutzten Zellen eingesetzt werden. Diese große Zellenanzahl kann dazu benutzt werden, die Anzahl Halbleitermaterialien oder Dotierstoff, die in einem einzigen System niedergeschlagen werden, zu erhöhen. Die Verwendung einer niedrigen Halterungsplattendrehfrequenz und einer geeigneten Anordnung der öfen erlaubt das Aufwachsen von Strukturen mit modulierten Zusammensetzungen. Dieses ermöglicht eine Beseitigung d*r komplizierten Ofen-Abschattierungsanordnungen, die derzeit hierzu benutzt werden.

Obgleich die Vorrichtung anhand einer gleichzeitigen Abscheidung auf einer Vielzahl Substrate beschrieben worden ist, versteht es sich, daß das Wort "gleichzeitig" nicht in dem Sinn benutzt wird, daß sämtliche Substrate gleiche Flüsse zu allen Zeiten empfangen, sondern in dem Sinne benutzt wird, daß die gewünschten Schichten auf allen Substraten während eines einzigen Verfahrensschrittes niedergeschlagen werden.

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KR/W'ER ZWIRNER · HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Bean 3 Patentansprüche

1. Vorrichtung für Molekularstrahlniederschlag auf eine Vielzahl Substrate, mit

- einer evakuierbaren Aufwachskammer, die wenigstens eine Molekularstrahlquelle zum Erzeugen eines auf eine Aufwachsstelle gerichteten Molekularstrahls enthält,

gekennzeichnet durch

- eine Halterungsplatte (500) zum Befestigen einer Vielzahl Substrate (550),

- einer Einrichtung (318, 319, 320) zum Drehen der Halterungsplatte, um die Substrate der Reihe nach in die Aufv/achsposition zu bringen, und

- eine Heizeinrichtung (324) für die Vielzahl Substrate.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. ■ W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. not. · E. Hoffmann Dlpi.-Iiig. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-!ng. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 . G. Zwirner Dlpl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

- eine evakuierbare Untersuchungskammer (20),

- ein Ventil (21) zwischen Untersuchungskammer und Aufwachskammer (30) und

- eine Transporteinrichtung (230) zum Transportieren der Halterungsplatte (500) zwischen Untersuchungskammer und Aufwachskammer.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch

- eine erste und eine zweite Beschickungs/Entnahmekammer (10, 40) ,

- ein Ventil (11) zwischen der ersten Beschickungs/ Entnahmekammer (10) und der Untersuchungskammer (20) und

- ein Ventil (31) zwischen der Aufwachskammer (30) und der zweiten Beschickungs/Entnahmekammer (40) , wobei

- die Transporteinrichtung (230) dafür ausgelegt ist, die Halterungsplatte (500) zwischen der ersten Beschickungs/Entnahmekammer und der Untersuchungskammer sowie zwischen der Aufwachskammer und der zweiten Beschickungs/Entnahmekammer zu transportieren.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die bzw. jede Molekularstrahlquelle (330, 332) so angeordnet ist, daß ihr Molekularstrahl im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch

- eine Vielzahl Molekularstrahlquellen (330, 332) in der Aufwachskammer (30) in gleichen radialen Abständen von der Drehachse der Halterungsplatte (500)

6. Verfahren für MolekularStrahlniederschlag auf eine Vielzahl Substrate, wobei ein Molekularstrahl von einer Molekularstrahlquelle in einer evakuierten Aufwachskammer erzeugt wird,
gekennzeichnet durch

- Drehen einer Halterungsplatte (500), auf der die Substrate (550) befestigt sind, dergestalt, daß die Substrate der Reihe nach in den Weg des Molekularstrahls gebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß

- eine Vielzahl Molekularstrahlquellen (330, 332) in

der Kammer in gleichen radialen Abständen von der Drehachse der Halterungsplatte angeordnet werden, um Molekularstrahlen unterschiedlicher Zusammensetzungen zu erzeugen, wodurch eine geschichtete Struktur auf den Substraten niedergeschlagen wird.