DE3211051C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für den Molekularstrahlniederschlag gemäß Oberbegriff des Anspruchs l bzw. 5.

Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind be­ kannt aus Electronics, 28. August 1980, S. 160-168.

Der Einsatz der sogenannten Molekularstrahlepitaxie (abge­ kürzt MEE) bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist seit einiger Zeit bekannt. In der genannten Druckschrift ist eine Apparatur für eine Molekularstrahlepitaxie beschrie­ ben. Die Halterungsplatte vermag jedoch lediglich ein einzi­ ges Substrat aufzunehmen. Der Vorteil der Bearbeitung ledig­ lich eines einzigen Substrates besteht darin, daß der jewei­ lige Molekularstrahl gezielt auf die Substratoberfläche ge­ richtet werden kann, mit der Folge, daß dort gleichmäßig dicke Schichten wachsen.

Wirtschaftlicher ist es aber, statt eines einzigen Substrats gleichzeitig mehrere Substrate auf einer geeigneten Halterung in die Apparatur einzubringen. Dabei besteht jedoch das Prob­ lem, daß die verschiedenen Substrate, da sie jetzt nicht mehr direkt von einem Strahl beaufschlagt werden können, unter­ schiedlich stark von dem Material des Molekularstrahls ge­ troffen werden. Dies hat zur Folge, daß sich ungleichmäßig dicke Schichten auf den Substraten ausbilden.

Die US-A-41 37 865 zeigt 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 fol­ genden Substrat begonnen wird. Eine ausdrücklich für Silicium entworfene Molekularstrahl-Versuchsapparatur ist beschrie­ ben 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. Juli 1978. Die Apparatur hat nur eine einzige Kammer und kann nur je­ weils ein einziges Substrat verarbeiten, 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-Molekularstrahlepitaxie, aber auch sie kann immer nur jeweils ein einziges Substrat bearbeiten.

In der DE-OS 20 53 802 ist eine Aufdampfapparatur beschrie­ ben, bei der es ebenfalls um das Problem ungleichmäßiger Schichtdicken geht. Um diesem Problem zu begegnen, werden die einzelnen Substrate jeweils auf einer Halterung gela­ gert, von denen eine Mehrzahl in gleichmäßigen Abständen am Rand einer rotierenden Scheibe gelagert ist. Jedes ein­ zelne Substrat auf einer Halterung dreht sich also entlang des Randes der rotierenden Scheibe, und zusätzlich wird es um die eigene Achse gedreht. Diese meachnisch aufwendige Lösung erfordert jedoch einen beträchtlichen apparativen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren für die Molekularstrahlepitaxie zu schaffen, bei der bzw. bei dem mit konstruktiv geringem Aufwand eine sehr gleichmäßige Beschichtung der Substrate erreicht werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 5 angegebene Erfindung.

Der Erfinder hat herausgefunden, daß die Position der Mole­ kularstrahlquelle bzw. der Molekularstrahlquellen im Ver­ hältnis zu den Positionen der einzelnen Substrate wesent­ lich ist für die Gleichmäßigkeit der aufgewachsenen Schich­ ten auf dem Substrat. Demgemäß werden erfindungsgemäß die einzelnen Substrate derart bei sich drehender Halterungs­ platte angeordnet, daß bei einer vollständigen Umdrehung der Halterungsplatte auf jedem Substrat ein im Durchschnitt gleichmäßiger Strahlfluß gemessen werden könnte. Dies hat zur Folge, daß die durch die Molekularstrahlen gebildeten Materialschichten auf jedem Substrat für sich und auch von Substrat zu Substrat gleichmäßig dick sind.

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

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Aufwachskammer längs 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 Transporteinrich­ tungsformen zum Transportieren der Halterungs­ platte 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 Be­ schickungs/Entnahmekammer 10, eine Untersuchungskammer 20, eine Aufwachskammer 30 und eine zweite Beschickungs/ Entnahmekammer 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 hal­ ternden Platte. Der gewünschte Druck ist typischerweise 4/3 Nanobar (10^-6 Torr). Die Transporteinrichtung 230 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 an­ geschlossen ist. Die Kammer umfaßt des weiteren eine Hülse 205, ein Heizelement 207, eine Strahlungswärme­ abschirmung 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 Transporteinrich­ tung 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 Infrarot­ pyrometer 217 und eine Untersuchungsstation 240, die für Analysen, wie Infrarotpyrometrie, Auger-Elektronen­ spektroskopie, Sekundärionenmassenspektroskopie usw. aus­ gerüstet sein kann.

Die Pumpe 201 ist typischerweise eine Kryopumpe, die Drücke von 4/3×10^-2 Nanobar (10^-8 Torr) oder weniger zu erreichen vermag. Kryogene Flüssigkeiten, z. B. flüs­ siger Stickstoff (LN₂), 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 Heizele­ ment 207 auch so ausgelegt sein, daß es nur einen Teil der Halterungsplatte 500 beheizt. Die dargestellte Wär­ meabschirmung 209 ist ringförmig, obgleich eine zylin­ drische 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 Strahlungs­ wärmeabschirmung 209 und die Halterungsplatte 500 sind erwünschtermaßen aus einem feuerfesten Material, das hinsichtlich des niederzuschlagenden Materials ver­ gleichsweise chemisch inert ist. Beispielsweise ist Tan­ tal ein bevorzugtes Material, wenn Silicium niederge­ schlagen wird. Der Flansch 211 trägt die Halterungs­ platte 500 und ist mit dieser reibungsgekoppelt. Sie er­ möglicht 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 An­ triebseinrichtung 212, ebenso auch eine Drehung der Welle 210 und damit der Halterungsplatte 500.

Der Molekularstrahlniederschlag in Form wenigstens einer Schicht aus wenigstens einem Material auf einer vielzahl Substraten findet innerhalb der Aufwachskam­ mer 30 statt. Die Vakuumbedingungen werden in der Auf­ wachskammer 30 typischerweise durch eine Kryopumpe 301 erreicht, die an die Kammer 30 über ein Ventil 302 und eine Baffel 303 angeschlossen ist. Die Pumpe sollte in der Lage sein, einen Druck von 0,4/3 pbar (10^-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 eben­ falls kryogen gekühlt wird durch beispielsweise flüssi­ gen Stickstoff. Die Aufwachskammer 30 hat des weiteren eine Ionenquelle 306 für Donatoren (n-Typ) und eine Ionenquelle 308 für Akzeptoren (p-Typ). Obgleich zwei Ionenquellen dargestellt sind, versteht es sich, daß entweder weniger oder mehr Ionenquellen in Abhängigkeit von den jeweils herzustellenden Bauelementen benutzt werden können. Verschlußtriebe 309 und 311 steuern die Stellung der Verschlüsse 313 bzw. 315, die zur Einlei­ tung oder Beendigung eines Ionenflusses von den Quellen 306 bzw. 308 zu den in Aufwachsstellung befindlichen Substraten 550 benutzt werden. Die Verschlußtriebe und Ionenquellen sind in die Kammer 30 über den Flansch 316 eingeführt. Vorzugsweise ist die Kammer 30 oberhalb des Flansches 316 im wesentlichen identisch mit der Kammer 20 oberhalb des Flansches 214. Bei einer für Silicium­ abscheidung bevorzugten Vorrichtung sind die Ionen­ quellen 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 Halte­ rungsplatte 500 angeordnet. Die Aufwachskammer 30 ent­ hält des weiteren eine Welle 318, die die Halterungs­ platte 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 An­ triebseinrichtung 320 ein Heben und Senken der Halte­ rungsplatte. Ein Flansch 319 auf der Wel1e 318 sorgt für eine Reibungskupplung zur Halterungsplatte 500, und da­ mit für deren Drehung mit Hilfe der Antriebseinrich­ tung 320. In der angehobenen Halterungsplattenposition werden die Substrate 550 entweder in einer Aufwachs­ stellung oder in einer solchen Stellung gehalten, aus der sie in eine Aufwachsstellung gedreht werden können. Auch die Aufwachskammer 30 hat Heizelemente 324 für die Substrate 550. Die Heizelemente 324 sind von einer Strahlungswärmeabschirmung 326 umgeben. Die Wärmeab­ schirmung 326 ist ringförmig dargestellt, obgleich auch eine zylindrische Form benutzt werden könnte, wie dieses in Zusammenhang mit der Untersuchungskammer 20 beschrie­ ben worden ist. Die Heizelemente 324 werden jedoch alles unterhalb der Wärmeabschirmung 326 gelegene erwär­ men, 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, aus­ genommen der verschiedenen Elemente, Öfen und der Unter­ suchungsgeräte, 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 500 nebst Substraten 550 gestattet, ferner eine Pumpeinrichtung 402, die an die Kammer über ein Ventil 403 angeschlossen ist. Eine Transportein­ richtung 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.

Obgleich eine vorrichtung beschrieben worden ist, die zwei Beschickungs/Entnahmekammern, eine Untersuchungs­ kammer und eine Aufwachskammer besitzt, können auch andere Anordnungen gewählt werden. Beispielsweise kann eine zweite Untersuchungskammer zwischen der Aufwachs­ kammer und der zweiten Beschickungs/Entnahmekammer an­ geordnet werden, oder die Untersuchungskammer könnte weggelassen oder mit der ersten Beschickungs/Entnahme­ kammer kombiniert werden. Außerdem könnten zwei Auf­ wachskammern 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 weite­ ren Öfen 330 und 332, Niederschlagsmeßgeräte 334 und 336 und eine Transporteinrichtung 230. Die Öfen erzeu­ gen Molekularstrahlen, die auf eine Aufwachsposition gerichtet sind. Obgleich zwei Öfen dargestellt sind, können mehr oder weniger Öfen benutzt werden, wenn eine größere oder kleinere Anzahl von Molekularstrahlen ge­ wünscht wird. Verschlüsse 338 und 340 eröffnen oder be­ endigen 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 an­ genommen, 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 Silicium­ stück wird in dem Ofen angeordnet, und der Elektronen­ strahl 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 Sili­ cium-Metallsilicid-Heterostrukturen herzustellen sind.

Während die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 als Molekular­ strahlniederschlagsvorrichtung beschrieben ist, brau­ chen die dargestellten Öfen nicht notwendigerweise Knudsen-Effusionsöfen sein, wie diese typischerweise bei der Molekularstrahlepitaxie für III-V-Verbindungs­ halbleiter benutzt werden. Ersichtlich kann ein Auf­ wachsen auf irgendeinem Substrat an mehr als einer Auf­ wachsstellung stattfinden, wenn die Aufwachskammer mehr als eine Molekularstrahlquelle hat. Die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 kann auch zum Niederschlagen von Me­ tallen 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 Zentral­ bohrung 560 zur Aufnahme der Welle 218, 310. Die Substrate 550 können Halbleitersubstrate, z. B. Siliciumsubstrate, 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 360°/n auseinander, wenn n die Substratan­ zahl ist. Die dargestellte Halterungsplatte hat einen Durchmesser von etwa 35,5 cm und enthält acht Substrate eines Durchmessers von etwa 7,5 cm.

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 angetrie­ bene Rollen 505 geführt ist. Der Motor 503 liegt außer­ halb der Kammer und ist mit dem Gurtantrieb durch eine vakuumdichte Durchführung gekoppelt. Die Transportein­ richtung umfaßt den Gurtantrieb 501, die Rollen 505 und den Motor 503. Die Motoren für die einzelnen Kammern sind miteinander synchronisiert, um die Transportein­ richtung in allen Kammern gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit zu betreiben. Alternativ kann ein ein­ ziger Motor für den Antrieb der Transporteinrichtung in allen Kammern mit Hilfe einer geeigneten Kupplung zwi­ schen den Transporteinrichtungen benutzt werden. Jede Kammer hat eine Transporteinrichtung, die von der be­ nachbarten Transporteinrichtung durch einen Luftspalt getrennt ist, um ein Schließen der Schotten zwischen be­ nachbarten Kammern zu ermöglichen. Obgleich der darge­ stellte Antrieb ein Gurtantrieb ist, könnten auch ande­ re Antriebe, beispielsweise ein Kettenantrieb oder ein Schneckenantrieb, benutzt werden. Die Halterungsplatte 500 braucht nicht direkt auf dem Antriebsgurt 501 ge­ führt zu werden, wie sich aus Fig. 5 ergibt. Dort wird die Halterungsp1atte 500 auf einem Tablett 570 trans­ portiert, das mit einer geeigneten Aufnahme zur Lage­ rung 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 auf­ getragen 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 an­ gesehen. 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 er­ halten, 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 Substrat­ mittelpunkts von der Drehachse etwa gleich dem 0,6­ fachen des horizontalen Abstandes des Ofens von der Drehachse ist. Die kürzere horizontale Linie (2) steilt 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 Posi­ tion ist nicht die bevorzugteste Position, da sie die Anzahl gleichzeitig zu bearbeitender Substrate stark be­ schränkt. 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.

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

Für die Beschreibung des Betriebs der Vorrichtung sei angenommen, daß die Kammern anfänglich auf atmosphäri­ schem Druck sind. Dieses braucht nicht zuzutreffen, nach­ dem 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 vor­ gesehen werden, um die Öfen ohne Unterbrechung des Vakuums erneut beschicken zu können. Als erstes werden Substrate 550 in der ersten Halterungsplatte 500 ange­ ordnet, die dann auf die Transporteinrichtung 230 in der ersten Beschickungs/Entnahmekammer 10 gesetzt wird. Die Substrate 550 werden nach üblichen Methoden zu­ nächst gereinigt, um jegliche Oberflächenverunreini­ gungen 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^-6 Torr). Nachdem der Druck verringert worden ist, wird das Ventil 11 geöffnet. Dieses Ventil 11 kann so gekoppelt werden, daß es sich mit den ande­ ren 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 die­ sem 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 4/3×10^-2 Nanobar (10^-8 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 Transporteinrich­ tung 230 transportiert gleichzeitig die erste Halte­ rungsplatte 500 zur Aufwachskammer 30 und die zweite Halterungsplatte 500 zur Untersuchungskammer 20. Die Kammer- und Ventilanordnung gestattet einen Vorrichtungs­ betrieb ohne daß die Aufwachskammer 30 oder die Unter­ suchungskammer 20 jemals auf Atmosphärendruck gebracht wird, es sei denn, daß die Öfen oder Ionenquellen neu zu beschicken sind oder andere Wartungsarbeiten durch­ zuführen sind. Falls gewünscht könnten Vakuumschleusen benutzt werden, um eine Ofenbeschickung ohne Unterbre­ chung des Kammervakuums zu ermöglichen. Die Antriebs­ einrichtung 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°C auf, wenn Silicium niederge­ schlagen wird. Höhere Temperaturen können benutzt werden, aber dann werden die Vorteile des Molekularstrahlnieder­ schlags kleiner, weil dann Diffusionsprozesse Bedeutung erlangen. Niedrigere Temperaturen können benutzt werden, wenn ein Aufwachsen von amorphen Materialien durchge­ führt wird. Die Temperatur wird am Infrarotpyrometer 328 überwacht.

Da die Halterungsplatte 500 das ganze Gebiet oberhalb der Molekularstrahlquellen 330, 332 einnimmt, werden größere Materialansammlungen vermieden. Die Halterungs­ platte 500 kann nach ihrer Entfernung aus der Beschickungs/ Entnahmekammer 40 und Entnahme der Substrate 550 ge­ reinigt werden. Es können allgemein bekannte mechani­ sche oder chemische Methoden zur Reinigung einer aus chemisch beständigem Material, beispielsweise aus Tantal, bestehenden Halterungsplatte benutzt werden. Das Fehlen jeglicher Materialansammlungen wird das Flocken­ bildungsproblem, wie dieses üblicherweise bei vertikalen Niederschlagsvorrichtungen auftritt, wenigstens reduzie­ ren, wenn nicht gar vollständig beseitigen. Quer-Verun­ reinigungen von Molekularstrahlquellen und Epitaxie­ defektstellendichte werden stark verringert.

Silicium wird in wenigstens einen der Öfen 330, 332 ein­ gebracht 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 Siliciummolekular­ strahl 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 Ak­ zeptoren 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.

Nachdem die gewünschten Materialschichten niederge­ schlagen worden sind, hört die Antriebseinrichtung 320 mit ihrer Drehung auf und senkt die Halterungsplatte 500 auf die Transporteinrichtung 230 ab. Die Ventile 11, 21, 31 zwischen benachbarten Kammern werden geöff­ net, und die Transporteinrichtung 230 transportiert die erste Halterungsplatte 500 aus der Aufwachskammer 30 in die zweite Entnahme/Beschickungskammer 40, wäh­ rend gleichzeitig eine dritte Halterungsplatte 500 von der ersten Entnahme/Beschickungskammer 10 in die Unter­ suchungskammer 20 und die zweite Halterungsplatte 500 von der Untersuchungskammer 20 zur Aufwachskammer 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 werden, 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 niedergeschla­ gen werden. Typische Niederschlagsgeschwindigkeiten liegen zwischen 0,1 und 10 Nanometer pro Sekunde. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten können unerwünschte Nie­ derschläge 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, bei­ spielsweise den III-V-Verbindungshalbleitern benutzt werden. Wenn solche verbindungshalbleiter aufzuwachsen sind, werden die beschriebenen Öfen typischerweise er­ setzt durch die zumeist benutzten Knudsen-Effusions­ zellen. Die Verwendung einer entfernbaren Halterungs­ platte oberhalb der Öfen wird Flockenbildungsprobleme eliminieren und einen Niederschlag von III-V-Verbindungs­ halbleitern in der bequemeren vertikalen Richtung er­ lauben. Hierbei werden die Knudsen-Zellen mit ihren Achsen parallel zueinander und vertikal ausgerichtet, und nicht nahezu horizontal und gegen eine einzige zen­ trale 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 Zellen­ anzahl kann dazu benutzt werden, die Anzahl Halbleiter­ materialien oder Dotierstoff, die in einem einzigen System niedergeschlagen werden, zu erhöhen. Die Verwen­ dung einer niedrigen Halterungsplattendrehfrequenz und einer geeigneten Anordnung der Öfen erlaubt das Auf­ wachsen von Strukturen mit modulierten Zusammensetzungen. Dieses ermöglicht eine Beseitigung der komplizierten Ofen-Abschattierungsanordnungen, die derzeit hierzu be­ nutzt 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 Verfahrensschrit­ tes niedergeschlagen werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung für Molekularstrahlniederschlag auf mindestens ein Substrat, mit

• - einer evakuierbaren Aufwachskammer, die mindestens eine Molekularstrahlquelle zum Erzeugen eines auf eine Auf­ wachsstelle gerichteten Molekularstrahls enthält,
• - einer Halterungsplatte (500) zum Befestigen mindestens eines Substrats (550),
• - einer Dreheinrichtung (318, 319, 320) zum Drehen der Hal­ terungsplatte, und
• - einer Heizvorrichtung (324) für das Substrat,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterungsplatte (500) zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten (550) in feste Lagebeziehung zu ihr ausgelegt ist,
daß die Dreheinrichtung (318, 319, 320) die Substrate der Reihe nach in eine Aufwachsposition bringt,
daß die oder jede Molekularstrahlquelle (330) von der Achse der Halterungsplatte und axial bezüglich der Halterungsplat­ te derart beabstandet ist, daß jedes Substrat den jeweili­ gen Molekularstrahl kontinuierlich aufzunehmen vermag, wenn die Halterungsplatte (500) gedreht wird, und der mittlere Strahlfluß über jedem Substrat im wesentlichen gleichför­ mig ist, wenn die Halterungsplatte eine ganze Umdrehung vollzieht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Molekularstrahlquellen (330, 332) in gleichem Ab­ stand bezüglich der Drehachse und in etwa gleichem axialen Abstand von der Halterungsplatte vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Halterungsplatte von der zumindest einen Molekularstrahlquelle geringfügig größer ist als der Abstand der oder jeder Molekularstrahlquelle von der Achse.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Substrat-Positionen von der Achse etwa dem 0,6-fachen des Abstands der Quelle von der Achse entspricht.

5. Verfahren für den Molekularstrahlniederschlag auf mindestens ein Substrat, bei dem mit Hilfe einer Molekularstrahlquelle ein Molekularstrahl in einer evakuierten Aufwachskammer ge­ bildet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Eine Halterungsplatte (500), in der in fester Lagebeziehung zu der Platte mehrere Substrate (550) montiert sind, wird um eine Achse gedreht,
die Molekularstrahlquelle (330) wird in einem Abstand von der Achse und in einem axialen Abstand von der Halterungs­ platte derart gehalten, daß jedes Substrat den Molekular­ strahl im wesentlichen gleichförmig empfängt und der mittle­ re Strahlfluß im wesentlichen gleichförmig über jedem Sub­ strat ist, wenn die Platte eine vollständige Umdrehung voll­ zogen hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Halterungsplatte von der Quelle ge­ ringfügig größer ist als der Abstand der Quelle von der Achse.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Substrate von der Achse etwa dem 0,6fachen des Abstands der Quelle von der Achse entspricht.