DE3427057A1 - Anlage zum herstellen von halbleiter-schichtstrukturen durch epitaktisches wachstum - Google Patents

Anlage zum herstellen von halbleiter-schichtstrukturen durch epitaktisches wachstum

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DE3427057A1
DE3427057A1 DE19843427057 DE3427057A DE3427057A1 DE 3427057 A1 DE3427057 A1 DE 3427057A1 DE 19843427057 DE19843427057 DE 19843427057 DE 3427057 A DE3427057 A DE 3427057A DE 3427057 A1 DE3427057 A1 DE 3427057A1
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Bernward Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Gohla
Richard Dipl.-Phys. Dr. 7141 Erdmannhausen Linnebach
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Description

R. Linnebach - B. GohLa 3-2
AnLage zum Herstellen von Halbleiter-Schi chtstrukturen durch epitaktisehes Wachstum
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von Halbleitei—Schichtstrukturen durch epitaktisches Wachstum nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, eine monokristalline Halbleiterschicht, z.B. aus GaAs und verwandten IH-V-Ve rbi ndungen auf HaIb-Leiterplättchen - die sogenannten Wafer - durch epitaktisches Wachstum aufzubringen. Bei der metallorganischen Dampfphasenabscheidung - im angelsächsischen Sprachraum als MOCVD (organometallic chemical vapor deposition) bekannt - wird das zu beschichtende HaIb Lei terplättchen auf die benötigte Reaktionstemperatur erhitzt und einer Gasströmung ausgesetzt, die die Beschichtungssubstanz in einer gasförmigen metallorganischen Verbindung enthält und auf das HaIb Lei terp lättchen abscheidet (vgl. J.Vac. Sei.Technol., 18(3), April 1981, SS 753 bis 755; J.of Crystal Growth 64 (1963), SS 461 bis 470).
Die bekannten Anlagen weisen einen einseitig zugänglichen Reaktor auf, in den das zu beschichtende HaLb Lei terplättchen nach öffnen des Reaktors eingeführt wird. Der Reaktor wird danach verschlossen, ggf. mit einem Inertgas gefüllt, das HaIb Lei terp lätte hen auf die erforderliche Reaktionstemperatur erhitzt und dann der Reaktionsgasströmung ausgesetzt. Jedesmal, wenn fertige HaIblerterp lätt-
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chen aus dem Reaktor entnommen und nächste PLättchen eingebracht werden soLLen, muß der Reaktor auf Umgebungstemperatur abegekühLt und geöffnet werden. Dabei dringt auch die UmgebungsLuft in den Reaktor ein, so daß er hinterher wieder sorgfä'Ltig entLüftet werden muß. Dies ergibt für die AnLage im VerhäLtnis zu der BehändLungszeit Lange Totzeiten. Da der Reaktor jedesmaL wieder aufgeheizt werden muß, ergeben sich daraus auch VerLuste an Hei zene rgi e.
Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, eine EpitaxieanLage zu schaffen, die das wirtsehaftLiehe HersteLLen hoher Stückzahlen von HaLb Lei terbaueLementen mit Schichtstruktur ermögLicht.
Diese Aufgabe wird bei einer AnLage der eingangs genannten Art durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale geLöst.
VorteiLhafte WeiterbiLdungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird eine quasi-kontinuierLiche HersteLLung von optischen HaLb Lei ter-BaueLementen in großen StückzahLen ermögLicht. SoLche Bauelemente mit quaternären MischkristaLL-Schichtstrukturen, z.B. auf der Basis von GaInAsP, werden z.B. zum HersteLLen von Laser, LEDs und Photodetektoren verwendet.
Zwei AusführungsbeispieLe der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein AusführungsbeispieL einer AnLage gemäß der Erf i ndung,
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Fig. 2 ein zweites AusführungsbeispieL einer Anlage gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Anlage nach Fig. 2 in der Draufsicht, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Prozeßsteuerung für die Anlage nach Fig. 2.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Anlage zum Herstellen von Ha Ibleiter-Schichtstrukturen durch epitaktisehes Wachstum weist folgende Hauptbestandteile auf:
eine Ladestation 1, einen Reaktions- oder Epitaxiebereich 2 und eine Entladestation 3. In dem Epitaxiebereich befindet sich eine Reaktionskammer 4, die durch eine Heizeinrichtung 5, z.B. ein HF-Heizelement, auf die erforderliche Reaktionstemperatur erwärmt wird. Die Reaktionskammer wird durch eine Umhüllung 8 aus Quarzglas umschlossen.,
Zwischen der Ladestation 1 und der Reaktionskammer 4 befindet sich eine Vorkammer 10, während zwischen der Reaktionskammer 4 und der Entlade- oder Entnahmestation 3 eine Abschlußkammer 11 angeordnet ist. Die Vorkammer 10 und die Abschlußkammer 11 weisen Umhüllungen oder Gehäuse 12 bzw. 13 aus rostfreiem Edelstahl auf. Auch die Gehäuse 14 und 15 der Lade- bzw. der Entnahmestation 1, 3 sind aus Edelstahl gefertigt.
Die verschiedenen Gehäuseteile der Anlage sind an ihren Verbindungsstellen und an ihren stirnseitigen Enden durch DichtungsfLansche 16 bis 25 druckdicht miteinander verbunden bzw. abgeschlossen. Zum Entlüften, d.h. insbesondere zum Erzeugen eines Ultrahochvakuums, und zum Ab-
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führen der Reaktions- oder Inertgase sind die einzeLnen GehäuseteiLe mit EntLüftungsrohren 28 bis 32 versehen, über ein EinLaßrohr 33 werden die Reaktionsgase in die Reaktionskammer 4 eingeLeitet, während weitere EinLaßrohre 34 bis 37 zum Einführen von Inertgas in die Ladestation 1, die Entnahmestation 3, die Vorkammer 10 und die AbschLußkammer 11 dienen.
Die zu beschichtenden HaLbLeiterpLattchen 40 werden auf einem Träger 41 in den Reaktionsraum 4 eingebracht. Zu diesem Zweck verLäuft von der Ladestation 1 durch die Vorkammer 10, die Reaktionskammer 4 und die AbschLußkammer 11 hindurch bis zur Entnahmestation 3 eine GLeitbahn oder Führungsschiene 42, auf der die Träger 41 vorwärts - in der DarsteLLung nach Fig. 1 von rechts nach Links bewegt werden. Zwischen je zwei aufeinanderfοLgenden Trägern werden auf der GLeitbahn 42 ein oder mehrere AbstandshaLter 43 gefördert. Die AnzahL der AbstandshaLter 43, die in ihren äußeren Abmessungen den Trägern 41 entsprechen, ist so gewähLt, daß sich in der Reaktionskammer 4 jeweiLs nur ein HaLbLeiterpLattchen 40 befindet. Die Strömungsrichtung der Reaktionsgase, die durch das EinLaßrohr 33 in die Reakti onskamirer 4 geLangen und diese über das EntLüftungsrohr 29 wieder verlassen, ist durch einen Pfei L 44 angedeutet. Sie ist hier der Förderrichtung der Träger 41 genau entgegengerichtet.
Die Ladestation 1 weist einen Vorratsraum 46 auf, der mit einem StapeL Träger 41 mit HaLbLeiterpLattchen 40 sowie mit AbstandshaLtern 43 gefüLLt wird. Die Entnahmestation 3 ist mit einem entsprechenden Vorratsraum 47 versehen, der die Träger 41 mit den HaLbleiterpLä'ttchen 40 sowie die AbstandshaLter 43 aufnimmt, nachdem diese den Reaktionsbereich 2 durchLaufen haben.
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Die Reaktions kämmer 4 ist von der Vorkammer 10 und der Abschlußkammer 11 durch Diffusions kämmern 48 getrennt, die dazu dienen, den Gasaustausch zwischen der Reaktionskammer und der Vor- und AbschLußkammer möglichst gering zu halten. Muß die Reaktionskammer 4 abgenommen werden, um sie zu reinigen, so können währenddessen die Vorkammer 10 und die Abschlußkammer 11 mit Inertgas gespült werden. Dadurch verringert sich das Teilvolumen der Anlage, das bei einer solchen Reinigung der Atmosphäre ausgesetzt werden muß. Das Füllen der Vorkammer 10 und der Abschlußkammer 11 mit einem Inertgas oder Inertgasgemisch dient auch dazu, die HaIbleiterplättchen vor temperaturbedingten Schaden zu schützen.
Um zu verhindern, daß beim Füllen des Vorratsraums 46 oder beim Entleeren des Vorratsraums 47 die Reaktionskammer 4, die Vorkammer 10 und die Abschlußkammer 11 mit der umgebenden Atmosphäre verbunden werden - mit den sich daraus ergebenden nachteiligen Wechselwirkungen -, ist zwischen den Anschlüssen der Vorratsräume 46, 47 und die Gehäuseteile 12, 13 jeweils eine Schleusenvorrichtung 50, 51 eingefügt, die z.B. aus einem Edelstahl-Pendelschieber mit einem elektropneumatise hen Antrieb besteht. Bevor der Vorratsraum 4ü, 47 zum Füllen bzw. Entleeren geöffnet oder abgetrennt wird, werden die Kammern 10, 11 durch die Schleusenvorrichtung 50 bzw. 51 hermetisch gegen die umgebende Atmosphäre verschlossen.
Aus dem Vorratsraum 46 werden die Träger 41 mit Halbleiterplättchen 40 sowie die Abstandshalter 43 nacheinander in die Vorkammer 10 eingebracht und auf die Höhe der Gleitbahn 42 angehoben. Dazu wird der Kolben 54 durch einen Antrieb 55 betätigt, der zweckmäßigerweise als Schrittmotor ausgebildet ist. Ein Falten- oder Federbalg
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56 aus Edelstahl dichtet die Durchführung der Kolbenstange des Kolbens 54 durch das Antriebsgehäuse 57 gegen die umgebende Atmosphäre ab, so daß auch bei geöffneter Schleusenvorrichtung 50 und angeschlossenem Vorratsraum 46 das Vakuum oder die Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten bleibt.
Auch die Entnahmestation 3 weist einen Kolben 58 mit Antrieb 59 auf, durch die die einzelnen Träger 41 und die Abstandshalter 43 aus der Abschlußkammer 11 entnommen und in den Vorratsraum 47 eingeführt werden. Ein Faltenbalg 60 sorgt auch hier für nötige Abdichtung gegen die Umgebung .
Eine hin- und herbewegbare Schubstange 62 und ein zugehöriger Antrieb 63, z.B. als Schrittmotor ausgeführt,
bilden eine Fördereinrichtung, die die Träger 41 und Abstandshalter 43 durch die Vorkammer 10, die Reaktionskammer 4 und die Abschlußkammer 11 hindurchschiebt. Die
Schubstange 62 ist gegen die Atmosphäre ebenfalls durch einen Faltenbalg 64 aus Edelstahl abgedichtet.
Nachdem das gerade in der Reaktionskammer 4 befindliche Ha Ib Leiterplatte hen 40 beschichtet worden ist, schiebt
die Schubstange 62 die Träger 41 und Abstandshalter 43
jeweils um die Länge eines Trägers nach links und kehrt dann in ihre Ausgangslage zurück. Der Kolben 54 in der
Ladestation 1 fährt dann nach oben und bringt einen weiteren Träger 41 oder Abstandshalter 43 auf die Höhe der Gleitbahn 42. Der Kolben 58 der Entnahmestation 3 fährt seinerseits nach unten, senkt den obersten auf dem Stapel liegenden Träger 41 oder Abstandshalter 43 ab und schafft damit Platz für das nächste auf der Gleitbahn 42 ankommende Teil. Der Vorgang wiederholt sich so lange, bis der
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Vorratsraum 46 Leer oder der Vorratsraum 47 voll ist. Danach werden - wie bereits erwähnt - die SchLeusenvorrichtungen 50, 51 geschlossen, der Vorratsraum 46 mit Trägern 41 mit neuen HaLbLeiterpLättchen 40 gefüLlt und die Träger mit den fertig beschichteten HaLbLeiterpLättchen sowie die Abstandshalter aus dem Vorratsraum 47 herausgenommen.
Beim Laden und Entladen der Vorratsräume 46, 47 bleibt die Gasatmosphäre in der Vorkammer 10, der Reaktionskammer 4 und der Abschlußkammer 11 von der umgebenden Atmosphäre unbeeinflußt. Vor allem muß aber die Heizeinrichtung 5 dazu nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlt und nachher wieder aufgeheizt werden. Als Heizeinrichtung 5 kann je nach dem durchgeführten Epitaxieprozeß ein widerstandsbeheizter Ofen, eine WärmestrahLungsque I Ie, eine Induktionsheizung oder auch eine andere Wärmequelle di enen.
Soweit die aus den Figuren 2 und 3 ersichtliche Anlage mit der vorstehend beschriebenen Anlage übereinstimmt, sind ihre Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sie wird insoweit nicht erneut erläutert.In ihrem zwischen der Vorkammer 10 und der Abschlußkammer 11 Liegenden Epitaxiebereich 2 weist sie zwei quer zu der Förderrichtung fur die Träger 41 der HaIb LeiterpLättchen 40 und der Abstandshalter 43 angeordnete Kammern auf:
eine erste Reaktionskammer 70 und eine zweite Reaktionskammer 71. Jede dieser Reaktionskammern ist mit einem Einlaßrohr 73, 74, über das das jeweilige Reaktionsgas zugeführt wird, sowie mit einem Entlüftungs- oder Abgasrohr 75, 76 versehen. Um einen Gasaustausch zwischen den Reaktionskammern 7ü, 71 zu verhindern oder verringern ist auch zwischen ihnen eine Diffusionssperre 48 angebacht.
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Hiermit können nacheinander zwei unterschied Li ehe KristaLlschichten auf das-HaLbLeiterpLattchen 40 aufgebracht werden. Damit kann mit dieser AnLage z.B. die von 6.Beuchet u.a. beschriebene "Hydrid-VPE"-Beschichtung (JournaL of CrystaL Growth 57 (1982) SS 379 bis 386) in vorteiLhafter Weise durchgeführt werden. Das bei dem "ChLorid"-Prozeß nach L.L. TayLor u.a. erforderLiehe Einbringen von beheizten QueLLen (JournaL of CrystaL Growth 64 (1983) SS 55 bis 59) kann mit der AnLage nach Fig.2 ebenfaLLs vorteiLhaft durchgeführt werden.
In Fällen, in denen das HaLbLeiterpLattchen 40 mehrfach zwischen den Reaktionskammern 70 und 71 hin- und herbewegt werden muß - z.B. wenn zwei Schichten abwechseLnd mehrfach aufgewachsen werden -, ist die AnLage mit einem zweiten Antrieb 80 versehen, der über eine zweite Schubstange 81 die Träger 41 und die AbstandshaLter 43 von Links nach rechts bewegt, so daß z.B. ein in der zweiten Reaktionskammer 71 behandeLter Wafer 40 wieder in die erste Reaktionskammer 70 verschoben wird. Naturgemäß müssen die Förderbewegungen des zweiten Antriebs 80 mit denen des ersten Antriebs 63 abgestimmt werden.
In Fig. 4 sind die wichtigsten Bestandteile der AnLage nach Fig. 2 und 3 schematisch dargesteLLt und mit den gLeichen Bezugszeichen versehen. Die AnLage weist eine Prozeßsteuerung auf, die einen zentralen Prozeßrechner einschließt, der über einen Bus 85 mit den einzelnen Steuerbausteinen verbunden ist. Eine Positioniersteuerung 86 steuert den Antrieb 80 und bestimmt damit die Bewegung der Träger 41, wenn die HaLbLeiterpLattchen 40 von der zweiten Reaktionskammer 71 in die erste Reaktionskammer 70 verbracht werden. Eine Sch Leusensteuerung 87 steuert den Antrieb der SchLeusenvorrichtung 51, mit der die Ab-
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schLußkammer 11 gegen die Atmosphäre abgeschlossen werden kann. Eine StapeLsteuerung 28 steuert den Antrieb 59, mit dem die Wafer-Halter 41 und die Abstandshalter 42 in den Vorratsraum 47 heruntergefahren werden.
Eine Gassteuerung 90 steuert einerseits den Durchfluß der Reaktionsgase durch die Reaktionskammern 70 und 71 und andererseits den Zufluß und den Abfluß des Inertgases in bzw. aus der Ladestation 1, Entnahmestation 3, Vorkammer 10 und Abschlußkammer 11.
Analog werden der Schrittmotor-Antrieb 63 und, damit die Schubstange 62 durch eine Positioniersteuerung 92 , der Antrieb der Schleusenvorrichtung 50 durch eine Schleusensteuerung 93 und der Antrieb 55 und damit der Kolben 54 durch eine Stapelsteuerung 94 gesteuert. Damit wird durch diese Steuereinheiten 92, 93 und 94 das Einführen der Wafer-Träger 41 und der Abstandshalter 43 in die Vorkammer 10 und das Fördern dieser Teile durch die Vorkammer 10, den Reaktionsbereich 2 und die Abschlußkammer 11 best immt.
Eine die Temperatur der Heizeinrichtung 5 feststellende Temperaturmeßschaltung 92 und eine Heizstrom-Stellschaltung 93 bilden zusammen mit dem Prozeßrechner 84 einen Temperatur regeLkreis, der die Temperatur in den Reaktionskammern 70, 71 mit der erforderlichen großen Genauigkeit regelt. Je nach der Anzahl der benotigten Temperaturzonen ist die Meßschaltung 92 mit mehreren Meßwertgebern und die Stellschaltung 93 mit mehreren voneinander unabhängigen Heizkörpern verbunden. Damit lassen sich die Temperaturen mit einer Abweichung von höchstens +-0,5 C konstant halten.
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Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht einen quasi-kontinuierIichen Prozeßablauf, der einen großen Durchsatz an epitaktisch beschichteten Ha Ib Lei te rp lä'ttchen ergibt,, wobei die Epitaxieschichten sehr genau reproduzierbar sind. Außerdem können in ihr die vom Hersteller gelieferten Wafer in Originalgröße, mit z.B. zwei Zoll Durchmesser, beschichtet werden, d.h. sie müssen vor dem Beschichten nicht zerteilt werden.
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Claims (10)

  1. Standard ELektrik Lorenz
    AktiengeseLLschaft
    Stuttgart
    R.Linnebach-B.GohLa 3-2
    Patentansprüche
    AnLage zum HersteLLen von HaLb Lei ter-Schichtstrukturen durch epitaktisches Wachstum, die foLgende Bestandt ei Le aufweist:
    - mindestens einen das zu beschichtende HaLb LeiterpLä'ttchen aufnehmenden Träger,
    eine Reaktionskammer, in die der Träger eingebracht und das HaLbLeiterpLättchen mit einem das SchichtmateriaL abscheidenden Medium behandeLt wird, und eine Heizeinrichtung, durch die das HaLbLeiterpLättchen auf die für das epitaktische Wachstum erforder-Liche Temperatur erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
    - eine der Reaktionskammer (4) vorgeschaLtete Ladestation (1), in der mehrere Träger (41) aufgenommen werden können und von der sie in die Reaktionskammer (4) eingesehLeust werden.
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    eine der Reaktionskammer (4) nachgeschaLtete Entnahmestation (3), in der die Träger (41) aus der Reaktionskammer (4) ausgeschleust werden, und
    - eine Fördereinrichtung (62, 63), durch die die Träger (41) nacheinander von der Ladestation (1) drurch die Reaktionskammer (4) zu der Entnahmestation (3) gefördert werden.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (4) eine Gaszuführung (33) und einen GasausLaß (29) aufweist, die derart angeordnet sind, daß das Reaktionsmedium die HaIb Lei terplättchen (40) entgegen der Förderrichtung bestreicht.
  3. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (4) mindestens eine Gaszuführung (73) und mindestens einen Gasauslaß (75) aufweist, die derart angeordnet sind, daß das Reaktionsmedium die Halbleiterplättchen (40) quer zu deren Förderrichtung bestreicht.
  4. 4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere quer zur Förderrichtung verlaufende Gasströmungen führende Reaktionskammern (70, 71) aufweist.
  5. 5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ladestation (1) und der Reaktionskammer (4) eine mit Inertgas füllbare Vorkammer (10) angeordnet ist.
  6. 6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Reaktionskammer (4) und der Entnahmestation (3) eine mit Inertgas füllbare Abschlußkammer (11) angeordnet ist.
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  7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,, daß zwischen der Reaktionskammer (4) und der Vorkammer (10) oder der AbschLußkammer (11) Diffusionssperren (48) angeordnet sind.
  8. 8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Prozeßsteuerung (84 bis 94) versehen ist, durch die ein erster Antrieb (55) zum Zuführen der Träger (41) in der Ladestation (1), ein zweiter Antrieb (62, 63) zum Fördern der Träger (41) durch die Reaktionskammer (4) und ein dritter Antrieb
    (59) zum Herausfahren der Träger (41) in der Entnahmestation (3) in aufeinander abgestimmter Weise selbsttätig gesteuert werden.
  9. 9. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Antrieb (80) aufweist, durch den die Träger (41) von einer Reaktionskammer (71) in eine andere, in Förderrichtung vor ihr liegende Reaktionskammer (70) zurückbewegt werden können.
  10. 10. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reaktionskammern (70, 71) Diffusionssperren (48) angeordnet sind.
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DE19843427057 1984-07-23 1984-07-23 Anlage zum herstellen von halbleiter-schichtstrukturen durch epitaktisches wachstum Withdrawn DE3427057A1 (de)

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