DE3715644C2 - - Google Patents
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873715644 DE3715644A1 (de) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Molekularstrahlepitaxieanlage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873715644 DE3715644A1 (de) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Molekularstrahlepitaxieanlage |
Publications (2)
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DE3715644A1 DE3715644A1 (de) | 1988-12-01 |
DE3715644C2 true DE3715644C2 (de) | 1990-02-08 |
Family
ID=6327262
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873715644 Granted DE3715644A1 (de) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Molekularstrahlepitaxieanlage |
Country Status (1)
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8380 | Miscellaneous part iii |
Free format text: DIE ENTGEGENGEHALTENEN DRUCKSCHRIFTEN LAUTEN RICHTIG: JP60-204694 IN: PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, SECT. C, VOL.10 (1986), NR.67 J. CRYSTAL GROWTH 74, 1986, S.292-300 |
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