DE3715644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Molekularstrahlepitaxie­ anlage mit einer in einem Vakuumbehälter angeordneten Gaszelle, aus der ein auf ein zu beschichtendes Sub­ strat gerichtetes Molekularstrahlbündel austritt und die auf der zum Substrat weisenden Seite einen Gas­ quellenkopf aufweist.

Aus der in den Patent Abstracts of Japan Sec. C, 67, 1986 veröffentlichten JP 60-2 04 694 ist eine solche Molekularstrahlepitaxieanlage bekannt, die zur Aus­ richtung des Molekülstrahlbündels über zwei in einem räumlichen Abstand voneinander parallel zueinander an­ geordnete Lochscheiben verfügt. In den Lochscheiben des Gaszellenkopfes sind Bohrungen vorgesehen, die bezüglich der wesentlichen Strahlrichtung der Moleku­ larstrahlen konzentrisch angeordnet sind.

Unterhalb des Gaszellenkopfes befindet sich ein Tie­ gel, in dem Material verdampft wird, das nur zu einem geringen Teil durch diese Löcher hindurchtreten kann und sich dabei zu einem großen Teil auf der Lochscheibe absetzt. Infolge einem ungünstigen Flächenverhält­ nis von der Fläche der Löcher zu der nicht durch­ brochenen Fläche der Lochscheiben ergibt sich ein erheblicher Materialverlust für die Beschichtung. Die Strömung des Molekularstrahls durch die miteinander fluchtenden Löcher ist Verwirbelungen ausgesetzt, die eine laminare Strömung verhindern. Bei einem späteren Aufheizen der Lochscheiben bildet sich beim Wiederver­ dampfen der an den Lochblenden abgelagerten Materia­ lien eine sich langsam bewegende Gaswolke, die einer­ seits die laminare Strömung des durch die Löcher der Lochblenden hindurchtretenden Molekularstrahls behin­ dert und die andererseits selbst für eine unkontrol­ lierte Beschichtung eines Substrates ursächlich ist.

Des weiteren verschlechtert der große Anteil des nicht zur Beschichtung des Substrates beitragenden Materials die Güte des Vakuums in der Gaszelle. Ein Dauerbetrieb mit einer solchen Molekularstrahlepitaxieanlage ist aufgrund des großen Anteils sich ablagernder Mate­ rialien nicht zweckmäßig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Molekularstrahl­ epitaxieanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die für verschiedene vorbestimmte Abstrahlcharakteri­ stiken eine möglichst gute laminare Strömung bei einem möglichst geringen Gasdurchsatz im Dauerbetrieb gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gasquellenkopf als Leitkanalstruktur ausgebildet ist, die aus einer Vielzahl von in Längsrichtung zum Substrat hin ausgerichteten röhrenförmigen Leit­ kanälen, deren Durchmesser erheblich kleiner als ihre Länge ist, besteht.

Die Verwendung von Trennwänden, die durch Bohrungen oder dicht gepackte Röhren gebildet werden können, fördert wirkungsvoll die laminare Strömung des Mole­ kularstrahls. Ein Überströmen von einem Leitkanal in einen anderen Leitkanal ist unterbunden. Ablagerungen aus dem Molekularstrahl an der Innenseite des Gasquel­ lenkopfes werden wirkungsvoll verhindert. Wirbelströ­ mungen durch Verdampfungen von abgelagertem Material können sich nicht auf Nachbarkanäle auswirken.

Die Verwendung von einer Vielzahl von röhrenförmigen Leitkanälen, deren Durchmesser erheblich kleiner als ihre Länge ist, gestattet eine kompakte Konstruktion der Gaszelle, wodurch mehrere verschiedene Gasquellen einfach in einem Vakuumbehälter angeordnet werden können. Dennoch kann das Volumen des gesamten Vakuum­ behälters sehr klein gehalten werden.

Für einen Vakuumbehälter mit mehreren Gasquellen bilden Leitkanäle, die schräg zur Stirnfläche des Gasquellenkopfes verlaufen, einen weiteren konstruk­ tiven Vorteil, da dann die Gasquellen im wesentlichen auf einer Grundfläche angeordnet werden können.

Konvergente bzw. divergente Leitkanäle, die zudem noch unterschiedliche Längen aufweisen, gestatten in einfacher Weise eine vorherbestimmte Modulation der Dichte des Molekularstrahlbündels.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Ansicht den Aufbau einer erfindungsgemäßen Molekularstrahlepitaxiean­ lage im Schnitt mit einer eine Leitkanal­ struktur aufweisenden Gaszelle,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Gaszelle mit einer Zersetzungszelle,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Zersetzungszellen,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Zer­ setzungszelle, deren Heizung im Gasraum liegt und

Fig. 5 eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit einem Substrat, das durch mehrere unterschiedlich ausgestaltete Gasquellen angestrahlt ist.

In Fig. 1 erkennt man ein Substrat 1, beispielsweise eine Scheibe aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid, die in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumbehälter einer Molekularstrahlepitaxieanlage angeordnet ist. Der Vakuumbehälter oder Vakuumkessel der Molekularstrahlepitaxieanlage ist mit einer Saug­ pumpe verbunden, die in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt ist und dazu dient, die bei der Molekular­ strahlepitaxie anfallenden Gasmengen schnell abzu­ führen.

Das Substrat 1 ist in Richtung des Pfeiles 2 um eine Achse 3 zur Erzielung einer möglichst homogenen De­ position oder Abscheidung mit Hilfe eines in der Zeich­ nung ebenfalls nicht dargestellten Antriebsmechanismus drehbar. Die Achse 3 verläuft dabei vorzugsweise nicht­ fluchtend zur Achse 4 einer Gaszelle 5, aus der ein Molekularstrahl in Richtung der Pfeile 6 austritt, um auf der Unterseite 7 des Substrates 1 eine Beschichtung mit einer Heterostruktur, beispielsweise AlGaAs, zu erzeugen.

Um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung auf der Unterseite 7 des Substrats 1 zu erreichen, kann es auch vorgesehen sein, die Achse 3, um die sich das Substrat in Richtung des Pfeiles 2 während des Beschichtens dreht, seitlich zu verschieben.

Der in Richtung der Pfeile aus der Gaszelle 5 austre­ tende gebündelte Molekularstrahl entsteht aus gas­ förmigen Quellmaterialien, die über Anschlußleitungen 8 und 9 der Gaszelle 5 zugeführt werden.

Die Gaszelle 5 besteht aus einem zylinderförmigen oder gegebenenfalls auch rechteckförmigen Zellengehäuse 10, mit einem Gasquellenkopf 11 und einer Diffusorkammer 12. In der Diffusorkammer 12 werden die gasförmigen Quellmaterialien durch Diffusion gemischt, so daß eine homogene Teilchendichte an der Innenseite 13 des Gas­ quellenkopfes 11 vorliegt.

Der Gasquellenkopf 11 besteht beispielsweise aus einer mit einer Vielzahl von Bohrungen 14 versehenen Platte. Das Material der Platte kann dabei beispielsweise Metall oder Graphit sein. Der Anordnung der Bohrungen 14 kann unregelmäßig oder regelmäßig entsprechend einer Matrix vorgenommen sein. Bei dem in Fig. 1 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel hat der Gasquellenkopf 11 eine Dicke von etwa 30 mm und die Bohrungen 14 haben einen Durchmesser von etwa 3 mm. Aufgrund der durch die Bohrungen 14 gebildeten rohrförmigen Leitkanäle erzeugt die Gaszelle 5 einen gut gebündelten Molekularstrahl, so daß auf der an der Unterseite 7 vorgesehenen Sub­ stratfläche des Substrates 1 eine homogene Abscheidung erfolgt, ohne daß große Raumwinkelbereiche des Mole­ kularstrahls ungenutzt bleiben.

Die Leitkanalstruktur des Gasquellenkopfes 1 kann statt durch eine mit Bohrungen versehene Platte auch durch eine Vielzahl von einzelnen Röhren gebildet werden. Ein solches Bündel von Rohren kann je nach dem Anwendungs­ fall mit offenen Zwischenräumen oder geschlossenen Zwischenräumen hergestellt sein. Als Material kommt beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Bornitrid in Frage.

Wenn der Gasquellenkopf 11 aus einer Vielzahl von Röhren unterschiedlichen Durchmessers und/oder unter­ schiedlicher Länge oder aus einer Platte mit nicht parallel verlaufenden Begrenzungsflächen hergestellt wird, ist es möglich, den Leitwert der einzelnen Leit­ kanäle unterschiedlich auszugestalten, um dem in Rich­ tung der Pfeile 6 austretenden Molekularstrahlbündel ein vorherbestimmtes Dichteprofil zu verleihen. Auf diese Weise können Inhomogenitäten erzeugt werden oder unerwünschte Inhomogenitäten infolge der Anordnung des Substrates 1 einer unvollkommen wirksamen Diffusor­ kammer ausgeglichen und beseitigt werden.

Die Diffusorkammer 12 ist beispielsweise mit Kugeln aus dem gleichen Material gefüllt, aus dem das Zellenge­ häuse 10 hergestellt ist.

Statt der oben erwähnten Rotation des Substrates 1 ist es auch möglich, eine Rotation der Gaszelle 5 vorzu­ sehen. Bei einem solchen in der Zeichnung nicht dar­ gestellten Ausführungsbeispiel kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Diffusorkammer 12 mit ihren Seitenwänden in eine topfförmige Struktur eingreift, deren Seitenwände in Fig. 1 nach unten weisende am Gasquellenkopf 11 befestigte Wandungen sind.

Die oben beschriebene Gaszellenanordnung gestattet eine gleichmäßige Beschichtung von Substraten 1 in einer Molekularstrahlepitaxieanlage, da sie es gestattet, jeden Teilbereich der Substratfläche mit der gleichen Molekularstrahldichte zu beaufschlagen. Außerdem wird nur die zu beschichtende Substratfläche mit dem Mole­ kularstrahl belegt, so daß die in das System injizierte Gasmenge so klein wie möglich ist. Die Abstrahlcharak­ teristik des Gasquellenkopfes 11 ist einer Rechteckform stark angenähert, das heißt innerhalb des Molekular­ strahlbündels ist die Teilchendichte rechtwinklig zur Strahlrichtung konstant, während sie am Strahlrand schnell abfällt.

Statt der oben erwähnten Rotationsbewegung zwischen dem Substrat 1 und der Gaszelle 5, durch die vermieden werden soll, daß auf dem Substrat 1 eine Beschichtung entsteht, die ein Abbild der Leitkanalstruktur ist, kann auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, durch die ein relatives Verkippen der Längsachsen der Gaszelle 5 und/oder des Substrates 1 erfolgt. Auch durch solche geringfügigen, gegebenenfalls um unterschiedliche Achsen ausgeführte Kippbewegungen läßt sich vermeiden, daß bei der Beschichtung des Substrates die Leitkanal­ struktur der Bohrungen 14 oder der Röhren in der Be­ schichtung zu erkennen ist.

Die Bohrungen 14 oder die Röhren, durch die der Gas­ quellenkopf 11 gebildet ist, bilden eine Vielzahl von Einzelkollimatoren und insgesamt gesehen einen Kolli­ mator. Die Achsen der Bohrungen 14 oder der einzelnen Röhren oder Leitröhren sind in Fig. 1 parallel darge­ stellt. Es ist jedoch auch möglich, die Achsen der Bohrungen 14 bzw. der Röhren mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zur Achse 4 anzuordnen, wie dies in Fig. 5 erkennbar ist. Die Teilchendichte und Teilchen­ richtung im Molekularstrahlbündel kann somit nicht nur durch Verändern der Strömungswiderstände in den ein­ zelnen Bohrungen 14 oder Röhren, sondern auch durch Anpassen der Längsachsen derselben entsprechend den jeweiligen Wünschen, insbesondere bei einem zur Haupt­ strahlrichtung gekippten Substrat eingestellt werden. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise bei einem gegenüber der Längsachse gekippten Substrat durch Anpassen der Flußdichte im Molekularstrahl eine homo­ gene Abscheidung erzielen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gaszelle 15 mit einem Gasquellenkopf 11 und einer externen Heiz­ spirale 16. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel ist neben einer Diffusor­ kammer 17 eine Zersetzungszelle 18 als chemisch aktiver Bereich vorgesehen, so daß die über Anschlußleitungen 8 und 9 einströmenden Gase, beispielsweise Arsin und Phosphin, zerlegt werden. Statt einer Zerlegungszelle 18 mit einer externen Heizung ist es auch möglich, den erfindungsgemäß ausgebildeten Gasquellenkopf 11 bei einer katalytischen Arsin- und Phosphin-Zerlegungszelle vorzusehen, um epitaktische III-V-Materialschichten herzustellen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gaszelle 19 dargestellt, die einen Gasquellenkopf 11 gemäß der Erfindung aufweist. In Fig. 3 erkennt man besonders gut die Leitwände 20 der Leitkanalstruktur des Gasquellenkopfes 11. Unterhalb dem Gasquellenkopf 11 ist eine gelochte Prallplatten 21 aufweisende Diffusorkammer 22 vorgesehen. Eine Heizung 30 gestattet das Beheizen des Gasquellenkopfes 11 und verhindert die Kondensation von Arsen und Phosphor in der Diffusor­ kammer 22 und im Gasquellenkopf 11. Die Diffusorkammer 22 wird mit den Ausgangsprodukten zweier Zerlegungs­ zellen 23, 24 gespeist, von denen die eine für Arsin und die andere für Phosphin vorgesehen ist. Die beiden individuellen Heizungen sind in Fig. 3 mit den Bezugs­ zeichen 25 und 26 versehen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Diffusorkammer 22 durch eine einzige Zer­ setzungszelle 27 für Arsin und Phosphin gespeist. Die Zersetzungszelle 27 weist eine innerhalb des Gasraumes liegende Heizung 28 auf.

Fig. 5 veranschaulicht die wesentlichen Komponenten einer Molekularstrahlepitaxieanlage, bei der einem Substrat 1 mehrere Gasquellen oder Gaszellen 35, 45, 55 zugeordnet sind. Die Gaszellen 35, 45, 55 haben, wie aus Fig. 5 erkennbar ist, unterschiedliche Positio­ nierungen relativ zum Substrat 1 und liefern unter­ schiedliche Molekularstrahlbündel 36, 46 und 56. Die Molekularstrahlbündel 36, 46, 56 unterscheiden sich nicht nur bezüglich ihrer Divergenz, sondern enthalten auch unterschiedliche Moleküle, so daß durch Umschalten des Betriebs der Gaszellen 35, 45, 55 die jeweils gewünschte Struktur der Substratbeschichtung erzielt werden kann.

Die Gaszelle 35 erzeugt ein nichtdivergentes schräg verlaufendes Molekularstrahlbündel 36, die Gaszelle 45 ein nichtdivergentes das Substrat rechtwinklig beauf­ schlagendes Molekularstrahlbündel 46 und die Gaszelle 55 erzeugt ein divergentes schräg auftreffendes Mole­ kularstrahlbündel 56.

Wie man in Fig. 5 erkennt, verfügt die Gaszelle 35 über einen Gasquellenkopf 31, dessen Leitkanalstruktur schräg ausgerichtet ist. Die Länge der Bohrungen 34 im Gasquellenkopf 31 ist dabei jeweils gleich. Die Diffu­ sorkammer 32 der Gaszelle 35 enthält als Gasmischhilfe kugelförmige Prallkörper 33.

Die mittlere Gaszelle 45 in Fig. 5 ist entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Gaszelle mit Bohrungen 44 aufgebaut, wobei in der Diffusorkammer 42 gelochte Prallplatten 43 vorgesehen sind.

Die in Fig. 5 ganz rechts dargestellte Gaszelle 55 enthält in ihrer Diffusorkammer 52 als Gasmischhilfe Gitter 53.

Im Unterschied zum Gasquellenkopf 41 der Gaszelle 45 enthält der Gasquellenkopf 51 eine Leitkanalstruktur mit Leitkanälen 54 unterschiedlicher Orientierung und unterschiedlicher Länge. Durch die unterschiedlichen Längen ergeben sich unterschiedliche Strömungswider­ stände bzw. unterschiedliche Leitwerte und damit eine Modulation der Dichte des Molekularstrahlbündels 56. Außerdem ist das Molekularstrahlbündel 56 aufgefächert, das heißt die bestrahlte Fläche auf dem Substrat 1 ist größer als die Stirnfläche des Gasquellenkopfes 51. Der Fachmann erkennt ohne weiteres, daß durch die Orien­ tierung der Leitkanäle 54 nicht nur ein divergierender, sondern auch ein konvergierender Molekularstrahl er­ zeugt werden kann, dessen Dichteprofil ebenfalls modu­ lierbar ist.

Bei dem Gasquellenkopf 51 erfolgt eine Veränderung der Leitwerte der einzelnen Leitkanäle 54 durch unter­ schiedliche Längen der Leitkanäle 54. Wie bereits erwähnt, kann jedoch der Strömungswiderstand auch durch Verändern der Durchmesser der Leitkanäle erreicht werden.

Claims (6)

1. Molekularstrahlepitaxieanlage mit einer in einem Vakuumbehälter angeordneten Gaszelle, aus der ein auf ein zu beschichtendes Substrat gerichtetes Molekular­ strahlbündel austritt, und die auf der zum Substrat weisenden Seite einen Gasquellenkopf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasquellenkopf (11, 31, 41, 51) als Leitkanalstruktur (14, 20, 34, 44, 54) ausgebildet ist, die aus einer Vielzahl von in Längsrichtung zum Substrat (1) hin ausgerichteten röhrenförmigen Leitkanälen (14, 34, 44, 54), deren Durchmesser erheblich kleiner als ihre Länge ist, besteht.

2. Molekularstrahlepitaxieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasquellenkopf (11, 31, 41, 51) eine dicke Platte mit einer Vielzahl von Bohrungen ist.

3. Molekularstrahlepitaxieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasquellenkopf (11, 31, 41, 51) aus einer Vielzahl von seitlich miteinan­ der verbundenen Röhren besteht.

4. Molekularstrahlepitaxieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle (34) schräg zur Stirnfläche des Gasquellen­ kopfes (31) verlaufen.

5. Molekularstrahlepitaxieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Leitkanäle (54) divergent sind.

6. Molekularstrahlepitaxieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Leitkanäle (54) konvergent sind.