DE3787542T2

DE3787542T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Niederschlagen aus der Gasphase.

Info

Publication number: DE3787542T2
Application number: DE19873787542
Authority: DE
Inventors: Ichiro Hase; Syunji Imanaga; Kunio Kaneko; Hiroji Kawai; Naozo Watanabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-02-15
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2007-02-14
Also published as: EP0233610A2; CA1302803C; CN87102726A; DE3787542D1; EP0233610A3; EP0233610B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung aus der Dampfphase, wie eine chemische Abscheidung aus metallorganischen Dämpfen (MOCVD). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung aus der Dampfphase für das epitaktische Wachstum einer Halbleiterschicht, wie einer dünnen Verbindungshalbleiterschicht auf einem Substrat.
In letzter Zeit wird das epitaktische Wachstum (Aufwachsen) einer Halbleiterschicht, wie dünne Verbindungshalbleiterschichten, als eine wichtige Technologie zur Herstellung von hocheffizienten Halbleiterbauelementen angesehen. Insbesondere, da es mit der herkömmlichen Technik nicht möglich ist, Halbleiterbauelemente, die einen Heteroübergang verwenden, so wie eine Laserdiode, einen Feldeffekttransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEFT), einen Hetero-Bipolar-Transistor (HBT) und andere AlGaAs-System-Halbleiterbauelemente herzustellen, außer durch ein Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase, insbesondere durch ein MOCVD-Verfahren.
Während des epitaktischen Wachstums sollten Wachstumsparameter wie die Zusammensetzung der gewachsenen Schicht, die Wachstumsgeschwindigkeit usw. bevorzugt durch eine sogenannte "In-Situ-Überwachung" überwacht werden. Jedoch ist es schwierig gewesen, eine In-Situ-Überwachung bei herkömmlichen Vorrichtungen für epitaktisches Wachstum einschließlich Vorrichtungen für epitaktisches Siliziumwachstum auszuführen. Daher wurde in den herkömmlich erhältlichen Vorrichtungen eine In-Situ-Überwachung nicht ausgeführt.
In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren mit Reflexion hochenergetischer gestreuter Elektronen ("Reflecting High Energy Electron Diffraction"), kurz RHEED- Verfahren, vorgeschlagen, um die Oberfläche einer durch ein Molekularstrahlepitaxieverfahren (MBE) gewachsenen Schicht zu überwachen und zur Rückkopplung für die Wachstumsvorrichtung. Das vorgeschlagene Verfahren wird jedoch nicht als praktisch anwendbar angesehen. Der Grund ist, daß, da bei dem MBE- Verfahren die räumliche Verteilung des Molekularstrahlflusses eine hohe und eindeutige Anisotropie aufweist, die eine Drehung des Substrats erfordert, um eine Gleichmäßigkeit der Halbleiterschichtoberfläche zu erzielen, daher eine Vibration oder Schwingung des Substrats während der Rotation es schwierig macht, eine In-Situ- Überwachung durch das RHEED-Verfahren auszuführen, in dem der Elektronenstrahl mit einem kleinen Winkel (ein paar Grad) eingestrahlt wird.
Andererseits wird in J. Appl. Phys. 51(3), Seiten 1599-1602, veröffentlicht im März 1980, ein Verfahren zur Durchführung einer In-Situ-Überwachung durch ein ellipsometrisches (Streustrahlanalyse-)Verfahren zur Überwachung eines GaAlAs-GaAs- Übergitters vorgeschlagen, das epitaktisch mit einem MOCVD-Verfahren gewachsen worden ist. Dieses ellipsometrische Verfahren überwacht das Schichtwachstum und leitet Information über die Schichtdicke und den Brechungsindex der Schicht usw. auf Basis von Phasendaten von reflektiertem Licht ab, wobei polarisiertes Licht auf die wachsende Schicht mit einem geringem Winkel eingestrahlt wird. Dieses Verfahren wird als wirksam zur Ausführung einer In-Situ-Überwachung angesehen, enthält aber Nachteile dadurch, daß
(1) es ein Eintrittsfenster für polarisiertes Licht und ein Austrittsfenster für reflektiertes Licht in der Vorrichtung erfordert, wodurch die Konstruktion der Vorrichtung stark eingeschränkt wird;
(2) bei diesem Verfahren auch eine große Genauigkeit beim Einstellen des Einfallswinkels des einfallenden Lichts erforderlich ist, wodurch schwierige Justierungseinstellungen der gesamten Anordnung erforderlich werden einschließlich des Winkels der auf eine Heizbasis gesetzten Probe;
(3) ein hoher Rauschpegel aufgrund von Turbulenzen durch das Gas verursacht wird, da das polarisierte Licht einen geringen Einfallswinkel aufweist und für eine vergleichsweise lange Strecke durch das Wachstumsgas fällt;
(4) jede kleine Änderung der Probenposition oder Vibration eine große Auswirkung auf die Überwachung hat; und
(5) da die Überwachungsdaten in Form von Phasendaten ausgegeben werden, es notwendig wird, einen Computer zum Extrahieren der Wachstumsparameter daraus zu verwenden.
In der EP-A-01 01 049 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Dicke einer dünnen Schicht auf einem Substrat beschrieben, die entweder zum Ätzen einer solchen Schicht oder zum Abscheiden einer solchen Schicht anwendbar sind und eine Reaktionskammer, eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Oberfläche des dünnen Film in einem im wesentlichen rechten Einfallswinkel, Mittel zum Empfang von von der Oberfläche reflektiertem Licht, um einen charakteristischen Parameter wie z. B. einen Dickeparameter oder einen Wachstumsparameter zu überwachen und ein entsprechendes Anzeigesignal davon zu erzeugen, aufweist und weiterhin Mittel zur Erzeugung eines Antwortsignals aufweist, das als Anzeige dient, daß gewisse Verfahrensbedingungen geändert werden sollen, z. B. Beenden des Ätzens bzw. des Wachstums.
In den Patent-Abstracts von Japan, Vol. 2, Nr. 100 (18.8.78), Seite 1833, C 78, ist eine drehbare chemische Verdampfungsvorrichtung zur Abscheidung von mehrschichtigen dünnen Filmen beschrieben. Diese Vorrichtung enthält einen Drehteller, auf den die Substrate gesetzt werden. Während der Abscheidung wird die Filmdicke erfaßt und die Filmbildung wird angehalten, wenn die Dicke den eingestellten Wert erreicht. Diese Erfassung umfaßt die Benutzung eines Lichtstrahls, der auf eine Anzahl von Substraten gerichtet wird, die sich zusammen mit dem Drehteller drehen. Von den Substraten reflektiertes Licht fällt auf ein Fotometer, dessen Ausgangssignal der reflektierten Lichtintensität entspricht und einer Steuerschaltung zugeführt wird. So ergeben die Berechnung einer wiederholten Anzahl von periodischen Änderungen der Filmdicke, die im voraus berechnet oder gemessen wurde, und die erfaßte Intensität des reflektierten Lichts die Filmdicke.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von Halbleiterschichten aus der Gasphase anzugeben, das eine In-Situ-Überwachung erlaubt.
Das Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase umfaßt auch die Überwachung des Wachstums einer Halbleiterschicht durch In-Situ-Überwachung.
Erfindungsgemäß wird die In-Situ-Überwachung eines Brechungsindex der dünnen Schicht, die auf Basis der Intensität von reflektiertem Licht abgeleitet ist, ausgeführt, wobei ein Lichtstrahl auf die Oberfläche der Wachstumsschicht in einer im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche stehenden Richtung eingestrahlt wird. Wachstumsparameter der Schicht können erfaßt werden durch Überwachung von Veränderungen der Stärke des von der Oberfläche der Schicht reflektierten Lichts. Die Wachstumsbedingungen der Abscheidung aus der Gasphase werden auf Basis der erfaßten Wachstumsparameter rückkoppelnd gesteuert.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Abscheidung aus der Gasphase ebenfalls vorgesehen.
Das Verfahren zur Steuerung von Wachstum und Zusammensetzung einer durch Abscheidung aus der Dampfphase gewachsenen dünnen Schicht weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
Einstrahlen von Lichtstrahlen auf die Oberfläche der dünnen Schicht mit einem Einfallswinkel, der im wesentlichen ein rechter Winkel in Bezug auf die Oberfläche der dünnen Schicht ist;
Auffangen eines von der dünnen Schicht reflektierten Lichtstrahls, um den Wachstumsparameter "Brechungsindex" zu überwachen und ein intensitätsabhängiges, den Wachstumsparameter bezeichnendes Signal zu erzeugen; und
rückkoppelndes Steuern der Wachstumsbedingungen der dünnen Schicht auf Basis des den Wachstumsparameter bezeichnendes Signals.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein spezieller Wachstumsparameter auf Basis der von der dünnen Schicht reflektierten Intensität abgeleitet. Dieser Wachstumsparameter ist ein Brechungsindex der Schicht, der auf Basis der Intensität des reflektierten Lichtstrahls abzuleiten ist. Ein zusätzlicher Wachstumsparameter kann die Zusammensetzung der dünnen Schicht und/oder die relative Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf die Intensität des auf die dünne Schicht eingestrahlten Lichtstrahls sein. Die relative Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf die Intensität des eingestrahlten Lichtstrahls ist variabel in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtstrahls.
In der Praxis wird die dünne Schicht auf einem Substrat ausgebildet, das auf einem Probenhalter, der eine leicht geneigte Befestigungsoberfläche aufweist, befestigt ist. Der Probenhalter ist um seine Mittelachse mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit drehbar. Das Substrat auf dem Probenhalter wird zyklisch vom Lichtstrahl bestrahlt, um den Lichtstrahl mit einer abhängig von der Variation des Wachstumsparameters variablen Intensität zu reflektieren. Die Wachstumsbedingung wird durch Einstellen der Flußrate eines Reaktionsgases eingestellt.
Eine Vorrichtung zur Abscheidung aus der Dampfphase zur Bildung einer dünnen Schicht umfaßt erste Mittel zur Definition eines Reaktionsgefäßes, durch welches eine gesteuerte Menge eines Reaktionsgases fließt, zweite Mittel zum Einstrahlen eines Lichtstrahls auf die wachsende Schicht mit einem Einfallswinkel nahe einem rechten Winkel in Bezug auf die Oberfläche der wachsenden Schicht, eine dritte Einrichtung zum Auffangen des von der wachsenden Schicht reflektierten Lichtstrahls, um ein die Intensität des reflektierten Lichtstrahl bezeichnendes Signal zu erzeugen, eine vierte Einrichtung zur Ableitung von Wachstumsparametern der dünnen Schicht auf Basis des den reflektierten Lichtstrahl bezeichnenden Signals, und eine fünfte Einrichtung zur Steuerung der Wachstumsbedingungen der dünnen Schicht auf Basis des Wachstumsparameters, so daß der Wachstumsparameter mit einem vorbestimmten Wert übereinstimmt. Erfindungsgemäß leitet die vierte Einrichtung eine Dicke der dünnen Schicht auf Basis des den reflektierten Lichtstrahl bezeichnenden Signalwertes in Abhängigkeit des Brechungsindex der dünnen Schicht ab und könnte auch die relative Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf eine Referenzlichtintensität ableiten, um die Zusammensetzung der dünnen Schicht zu erfassen. Im Fall, in dem die vierte Einrichtung die relative reflektierte Lichtintensität ableitet, leitet die vierte Einrichtung die Referenzlichtintensität auf Basis der reflektierten Lichtintensität ab, die vor Beginn der Abscheidung der dünnen Schicht gemessen wurde. Als Alternative leitet die vierte Einrichtung die Referenzlichtintensität auf Basis der Lichtintensität des auf die dünne Schicht einzustrahlenden Lichtstrahls ab.
Die dünne Schicht wird auf ein Substrat mittels der chemischen Abscheidung aus metallorganischen Dämpfen (MOCVD) gewachsen, und die Referenzlichtintensität wird abgeleitet auf Basis der in Bezug auf das Substrat gemessenen reflektierten Lichtintensität.
Bevorzugt wird die dünne Schicht auf ein Substrat mittels MOCVD gewachsen, das auf einem Probenhalter befestigt ist, der innerhalb des Reaktionsgefäßes angeordnet ist, wobei der Probenhalter mit dem Substrat um eine mittige Drehachse mit einer gegebenen Geschwindigkeit drehbar ist, um das Substrat zur zweiten Einrichtung mit einer gegebenen Winkelposition während der Drehung ausrichten zu können. Die zweite Einrichtung weist mehrere Lichtquellen zum Ausstrahlen eines Lichtstrahls mit einem beinahe rechten Winkel in Bezug auf die Oberfläche des Substrats auf, wobei jede der Lichtquellen so angeordnet ist, daß sie mit dem Substrat in einer vorbestimmten Winkelposition des Probenhalters ausgerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung noch deutlicher, welche jedoch die Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel einschränken, sondern nur der Erklärung und dem Verständnis dienen.
In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine Teilansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des im MOCVD-Verfahrens zum Wachsen einer Halbleiterschicht auf einem Substrat und zur Ausführung der In-Situ-Überwachung zur rückkoppelnden Steuerung der Wachstumsbedingungen;
Fig. 2 ein vergrößerter Abschnitt des Halbleitersubstrats und der auf dem Substrat wachsenden Halbleiterschicht, die zur Diskussion des Prinzips der Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 ein Schaubild, das die Intensitätsänderung reflektierten Lichts in Relation zur Dicke der Halbleiterschicht zeigt;
Fig. 4(A), 4(B), 4(C) und 4(D) Schaubilder, die die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf eine Wachstumsperiode zeigen;
Fig. 5 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis (x) von Aluminium in AlxGa1-xAs zeigt, welches die Halbleiterschicht bildet, und dem Intensitätsverhältnis (b/a) des reflektierten Lichts;
Fig. 6 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis (x) von Aluminium in AlxGa1-xAs, das die Halbleiterschicht bildet, und dem Brechungsindex (n) zeigt;
Fig. 7 ein Schaubild, das die Änderungen der reflektierten Lichtintensität während des Wachstums von mehreren Schichten in Bezug auf die Wachstumsperiode zeigt;
Fig. 8 eine Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung von MOCVD-Verfahren;
Fig. 9 ein Schaubild, das das Intensitäts-Verhältnis (b/a) des reflektierten Lichts in Bezug auf die Wellenlänge (λ) zeigt;
Fig. 10 eine Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung der MOCVD;
Fig. 11(A), 11(B), 11(C) und 11(D) Diagramme, die die Veränderung der reflektierten Lichtintensität, die durch verschiedene optische Fenster überwacht wird, zeigen;
Fig. 12 ein Schaubild, das die Änderung der reflektierten Lichtintensität in Bezug auf die Wachstumsperiode zeigt.
Bezieht man sich nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf Fig. 1, so führt das erste Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung das MOCVD-Verfahren zum Wachsen einer Halbleiterschicht 2 auf einem Substrat 1 aus. Das Substrat 1 ist innerhalb einer Glas- Reaktionsröhre 5 angeordnet und auf einem Probenhalter 6 befestigt, der im Innenraum 3 der Reaktionsröhre 5 angeordnet ist. Der Probenhalter 6 besteht z. B. aus Kohlenstoff und hat eine geneigte oder schräge Auflagefläche, um das Substrat 1 darauf aufzunehmen. Axial stromaufwärts des Probenhalters 6 ist eine Basis 7 innerhalb der Reaktionsröhre 5 in Ausrichtung mit dem Probenhalter 6 angeordnet. Die Basis 7 weist eine Höhe entsprechend der Höhe des Probenhalters 6 an dem die Basis 7 berührenden Ende auf.
Die Reaktionsröhre 5 ist von einer HF-Spule 8 umgeben. Die HF-Spule 8 ist geeignet, das Substrat auf eine vorbestimmte Temperatur aufzuheizen. Ein Wachstumsgas oder Reaktionsgas wird in die Reaktionsröhre 5 eingeführt und fließt wie durch den Pfeil A gezeigt durch die Reaktionsröhre. Bei diesem Verfahren wird auf der Oberfläche des Substrats 1 eine dünne Schicht gewachsen.
Die MOCVD-Einrichtung enthält auch eine Anordnung zur Überwachung der Wachstumsparameter der Schicht und zur rückkoppelnden Steuerung (Regelung) der Wachstumsbedingungen. Die Anordnung weist eine Lichtquelle 9 auf. Die Lichtquelle 9 ist in einer festgelegten Entfernung von der Reaktionsröhre 5 angeordnet. Bei dem gezeigten Anführungsbeispiel dient ein He-Ne-Laser als Lichtquelle. Der He-Ne-Laser 9 erzeugt einen Laserstrahl 4 mit einer Wellenlänge (λ) von 632,8 nm (6328Å). Der vom Laser 9 emittierte Laserstrahl 4 passiert einen Chopper 10, eine Linse 11 und die Glaswand der Reaktionsröhre 5, um die Oberfläche des Substrats 1 zu bestrahlen. Die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete Linse 11 weist bevorzugt eine Brennweite von 500 mm auf.
Der Laserstrahl 4 wird dann von dem Substrat 1 reflektiert. Der reflektierte Laserstrahl wird durch einen reflektierenden Spiegel 12 abgelenkt, um eine Photovervielfacher- Röhre 16 über eine Diffusionsplatte 13, ein Neutraldichte(ND)-Filter 14 und ein Farbfilter 15 zu bestrahlen. Bei der gezeigten Anordnung sind die Diffusionsplatte 13, das ND-Filter 14 und das Farbfilter 15 hintereinander angeordnet. Das ND-Filter 14 ist ausgebildet, um den reflektierten Laserstrahl zu absorbieren. Andererseits ist in der bevorzugten Ausbildung das Farbfilter 15 so ausgewählt, daß es Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 600 nm durchläßt.
Die Photovervielfacher-Röhre 16 ist geeignet, das reflektierte Licht zu erfassen. Die Photovervielfacher-Röhre 16 ist mit einem Lock-in-Verstärker 17 verbunden. Der Lock-in-Verstärker 17 ist auch mit dem Chopper 10 verbunden. Der Lock-in-Verstärker 17 wirkt so mit dem Chopper 10 zusammen, daß nur das in Abhängigkeit vom Laserstrahl erzeugte vom Chopper ausgewählte Ausgangssignal der Photovervielfacher- Röhre zu einem Aufzeichnungsgerät 18 gelangt. Das Aufzeichnungsgerät 18 empfängt das Ausgangssignal der Photovervielfacher-Röhre 16, um die Änderung der reflektierten Lichtintensität in Bezug auf die Wachstumsperiode auf einem Diagramm aufzuzeichnen.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Komponente des durch den Chopper 10 gelangenden Laserstrahls 4 von der flachen Oberfläche der Linse 11 reflektiert. Die von der Linse 11 reflektierte Lichtkomponente wird von einem reflektierenden Spiegel 19 gegen ein Leistungsmeßgerät 20 abgelenkt. Der Ausgang des Leistungsmeßgerätes 20 ist über einen Verstärker 21 mit einem Aufzeichnungsgerät 22 verbunden. Das Aufzeichnungsgerät 22 zeichnet die Änderungen der Intensität des von der Linse reflektierten Lichts in Bezug auf die Wachstumsperiode auf. Um genaue Überwachungsergebnisse zu erhalten, wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vom Aufzeichnungsgerät 18 aufgezeichnete Wert durch den vom Aufzeichnungsgerät 22 aufgezeichneten Wert bei der jeweils zugehörigen Wachstumsperiode dividiert. Daher beeinflussen Fluktuationen der Intensität des Laserstrahls niemals die Überwachungsresultate.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung wird im folgenden das Prinzip der Erfindung diskutiert, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Zur Diskussion des Prinzips der Erfindung sei angenommen, daß die auf dem Substrat zu bildende Halbleiterschicht 2 eine Dicke d aufweist und daß das Substrat innerhalb einer Reaktionsgasatmosphäre 3 angeordnet ist. Das Licht der Wellenlänge λ wird auf die Oberfläche der Halbleiterschicht in im wesentlichen senkrechter Richtung relativ zur Oberfläche der Schicht eingestrahlt. Der Fresnel-Reflektions-Koeffizient an den Grenzen zwischen der Schicht 2 und dem Reaktionsgas 3 und zwischen der Schicht 2 und dem Substrat 1 können durch die folgenden Formeln dargestellt werden:
wobei j (j = 1, 2, 3) der komplexe Brechungsindex eines Materials j ist und dargestellt werden kann durch:
j = nj-iKj (3)
wobei nj die Realteil von j ist und kj = (4 n/λ) α ist, wobei ·αj ein Adsorptions- Koeffizient des Materials j ist.
Hier kann unter Berücksichtigung überlappender Reflexion der Gesamtreflexionskoeffizient R dargestellt werden durch:
Daher wird die gemessene Reflexionsintensität zu R ². Aus den obenstehenden Formeln (4) und (5) könnte man annehmen, daß sich die Reflexionsintensität zyklisch verändert, wenn d zunimmt. Nimmt man an, daß m = 1, 2, 3 . . . , wird die folgende Formel aus den Formeln (4) und (5) abgeleitet: unterer Scheitelwert oberer Scheitelwert
Fig. 3 zeigt ein Ergebnis einer experimentell ausgeführten Berechnung, die die obige Formel (4) in Bezug auf eine dünne Halbleiterschicht von AlxGa1-xAs (x = 0,57) verwendet. Um die Berechnung auszuführen, wird angenommen, daß n&sub1; = 4,11, α1 = 81800cm&supmin;¹, n&sub2; = 3,66, α&sub2; = 24200 cm&supmin;¹, n&sub3; = 1,α&sub3; = 0. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann man, wenn die zyklische Änderung der reflektierten Lichtintensität entsprechend der wachsenden Größe d der Schicht 2 durch Einstrahlen des Laserstrahls mit einem Einfallswinkel im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Schicht, beobachtet wird, der komplexe Brechungsindex &sub2; der wachsenden Schicht, der die Zusammensetzung der Schicht repräsentiert, erhalten werden.
Basierend auf dem oben beschriebenen Prinzip wird ein Experiment zum Wachstum einer AlGaAs-Halbleiterschicht auf einem GaAs-Substrat ausgeführt. Bei dem Experiment wird das GaAs-Substrat 1 in der Reaktionsröhre 5 auf eine Temperatur von 700ºC durch die HF-Spule 8 geheizt. Als Gallium enthaltendes Material und als Aluminium enthaltendes Material werden Trimethylgallium (TMG) und Trimethylaluminium (TMA) verwendet. TMG strömt durch die Reaktionsröhre 5 mit einer festen Strömungsrate, z. B. 10 ml/min. Andererseits wird die Strömungsrate von TMA auf 5 ml/min, 10 ml/min, 20 ml/min und 40 ml/min variiert. Um zusätzlich die Ansammlung eines Reaktanten innerhalb der Reaktionsröhre zu vermeiden, die dazu neigt, mit dem Laserstrahl 4 zu wechselwirken, wird eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, z. B. höher als 1 m/sec ausgewählt.
Die Resultate der Messungen der reflektierten Lichtintensität sind in Fig. 4 gezeigt. Der Aluminium-Anteil x in der wachsenden Halbleiterschicht von AlxGa1-xAs wurde auf
Basis von Photolumineszenz gemessen. Daraus wird deutlich, daß der Aluminium- Anteil x veränderlich ist in Abhängigkeit von der TMA-Strömungsmenge. In dem oben erwähnten Experiment sind nämlich die Aluminium-Anteile x in Bezug auf die TMA- Strömungsmenge 0,26, 0,40, 0,57 und 0,72. Andererseits wurde die AlxGa1-xAs- Schicht 2 nach dem Wachstum bis zu einer Schichtdicke d durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) gemessen. Auf Basis der gemessenen d wurde der Brechungsindex der Schicht entsprechend der obengenannten Formel (6) abgeleitet. Weiterhin wurde der Absorptions-Koeffizient α&sub2; auch abgeleitet auf Basis der Absorptionsrate der reflektierten Lichtintensität entsprechend der folgenden Formel:
I = I&sub0;exp (-α&sub2;·d)
wobei I&sub0; die reflektierte Lichtintensität bei einer Schichtdicke 0 ist und I die reflektierte Lichtintensität bei der Schichtdicke d ist.
Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die mit Bezug auf GaAs gezeigten Daten in der Tabelle aus einer Schwingungsanalyse der Kurve der reflektierten Lichtintensität erhalten wird, wenn Brechungsindex und Absorptions-Koeffizient bei 632,8 nm (6328 Å) Temperatur (ºC) Brechungsindex Absorptions-Koeffizient
AlAs auf ein GaAs-Substrat gewachsen wird und anschließend GaAs auf die AlAs- Schicht gewachsen wird.
Auf Basis der oben beschriebenen Ergebnisse wird das Verfahren zur Ableitung der Wachstumsparameter während des Wachsens der Schicht 2 im folgenden diskutiert. In Fig. 5 ist das Verhältnis (b/a) der reflektierten Lichtintensität b im ersten Wellental der in Fig. 3 dargestellten Wellenform gegen die reflektierte Lichtintensität a des GaAs- Substrats 1 in Relation zum Al-Anteil x aufgetragen. Unter Verwendung der Kennlinie aus Fig. 5 und auf Basis der reflektierten Lichtintensität am ersten Wellental der Wellenform kann der Al-Anteil x des wachsenden AlxGa1-xAs erhalten werden. Das erste Wellental der Wellenform entspricht ungefähr einer Schichtdicke von 40 nm.
Fig. 6 ist eine der obigen Tabelle entsprechende Kennlinie. In Fig. 6 wird der Brechungsindex n bei einem Al-Anteil x von 0,8 diskontinuierlich. Dies wird von der Existenz einer Bandlücke in AlxGa1xAs hervorgerufen. Da der Al-Anteil x aus Fig. 5 abgeleitet werden kann, kann der Brechungsindex n unter Verwendung der Kennlinie von Fig. 6 abgeleitet werden. Entsprechend kann durch Verwendung des abgeleiteten Brechungsindexes und gemäß der obengenannten Formel (6) die Schichtdicke am Wellental der Wellenform, die die reflektierte Lichtintensität repräsentiert, abgeleitet werden. Durch Division dieser Dicke durch die Wachstumsperiode bis zum ersten Wellental des Wellenmusters kann die Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht abgeleitet werden. Nachdem einmal eine analytische Kurve auf Basis der Kennlinien aus Fig. 5 und Fig. 6 und auf Basis der Formel (6) aufgestellt worden ist, können Messungen direkt unter Verwendung der analytischen Kurve durchgeführt werden.
Da die In-Situ-Überwachung der Wachstumsgeschwindigkeit und der Al-Anteil x einer dünnen AlxGa1-xAs-Schicht während des Wachstumsverfahrens möglich wird, wird eine rückkoppelnde Steuerung der MOCVD-Vorrichtung ausgeführt. Bei der rückkoppelnden Steuerung werden Daten, die die Wachstumsparameter, wie Wachstumsgeschwindigkeit Al-Anteil usw. angeben, der Massenflußsteuerung (MFC) der MOCVD-Vorrichtung wieder eingegeben. Dadurch wird, wenn der Wachstumsparameter einen Wert angibt, der unakzeptabel von einem gewünschten Wert abweicht, die Konzentration des Reaktionsgases nachgeregelt. Daher kann das Wachstum der Halbleiterschicht präzise und erfolgreich gesteuert werden.
Wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls 4 schwankt, könnte ein Fehler in den Messungen auftreten. Wenn nämlich der Laserstrahl 4 mit anderen Winkel als 90º in Bezug auf die Schicht 2 einfällt, vergrößert sich die Länge des optischen Weges des Laserstrahls durch die Schicht 2, wobei das Interferenzintervall verkürzt wird. Wenn sich z. B. die optische Weglänge um 1% vergrößert, würde sich das Interferenzintervall um 1% verkürzen. Nimmt man in diesem Fall das n&sub2; der AlGaAs-Schicht 2 zu 3,5 an, kann der Einfallswinkel gemäß dem Snell'schen-Gesetz abgeleitet werden. Der Einfallswinkel des Laserstrahls 4 kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
n&sub3;· sin Θ = n&sub2;· sin Θ'
wobei Θ der Einfallswinkel;
Θ' der Brechungswinkel;
n&sub3; der Brechungsindex (= 1) der Gasphase ist.
Wenn hier cos Θ' = 0,99, beträgt der daraus abgeleitete Brechungswinkel Θ' = 8º. Daher kann der Einfallswinkel Θ dargestellt werden als
Θ-sin&supmin;¹ (3,5.· sin 8º)-30º.
Wie hieraus ersehen werden kann, ist, auch wenn der Einfallswinkel, um 30º abgelenkt ist, der resultierende Meßfehler ungefähr 1%. Das ist signifikant weniger als bei einem ellipsometrischen Verfahren. Weiterhin fallen gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Laserstrahl und der reflektierte Strahl durch ein gemeinsames in der Reaktionsröhre 5 vorgesehenes Fenster, wodurch konstruktive Einschränkungen der Vorrichtung reduziert sind. Da zusätzlich die reflektierte Lichtintensität und die optische Weglänge durch kleine Änderungen des Einfallswinkels des Laserstrahls nicht signifikant beeinflußt werden, ist es nicht notwendig, die Achse des Laserstrahls genau und präzise einzustellen. Zusätzlich kann, da bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die optische Weglänge des Laserstrahls durch das Reaktionsgas im Vergleich mit dem bei einem ellipsometrischen Verfahren verkürzt werden kann, das Rauschen aufgrund von Turbulenzen des Reaktionsgases reduziert werden.
Fig. 7 zeigt die Änderung der reflektierten Lichtintensität in einem anderen Experiment bei Verwendung der MOCVD-Vorrichtung von Fig. 1. Bei dem Experiment wurde zuerst eine GaAS-Schicht auf dem GaAs-Substrat durch Strömung durch TMG mit einer Strömungsrate von 20 ml/min gewachsen. Anschließend wird auf der gewachsenen GaAs-Schicht eine AlAs-Schicht durch Strömung von TMA mit einer Strömungsrate von 40 ml/min gewachsen und anschließend wird eine GaAs-Schicht auf der AlAs- Schicht gewachsen. Wie Fig. 7 entnommen werden kann, ist die während des Wachtumsprozesses von AlAs erscheinende Schwingungskurve verschieden von der während des Wachstumsprozesses von GaAs. Daher ist die Überwachungsmethode, die in Bezug auf das vorherige Experiment beschrieben wurde, zur Überwachung des Wachstums von Mehrfachschichten geeignet. Daher kann durch Rückkoppeln des durch die Überwachung der Wachstumsbedingungen abgeleiteten Wachstumsparameters in die MFC der MOCVD-Vorrichtung die Zusammensetzung der zu wachsenden Halbleiterschicht und die Wachstumsgeschwindigkeit gesteuert werden.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Implementierung eines MOCVD-Verfahrens und zur Implementierung des bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abscheidung aus der Dampfphase. In der folgenden Beschreibung werden die mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 gemeinsamen Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Weißlichtquelle 23 als Lichtquelle verwendet, die den Laser im vorangegangenen Ausführungsbeispiel ersetzt. Das von der Lichtquelle 23 emittierte Licht beleuchtet ein Hochgeschwindigkeits-Raster- Photospektroskop 25 über eine Linse 24. Das im gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzte Hochgeschwindigkeits-Raster-Photospektroskop 25 ist ausgewählt, um eine Hochgeschwindigkeits-Rasterung mit einer Geschwindigkeit auszuführen, die groß genug ist, um genügend kurze Rasterintervalle zu erhalten, so daß die Änderung der Dicke der Halbleiterschicht aufgrund des Wachsens auf dem Substrat 1 im wesentlichen klein ist und während des Rasterintervalls vernachlässigt werden kann. Derzeit sind Hochgeschwindigkeits-Raster-Photospektroskope am Markt erhältlich, die einen Zyklus eines Rastervorgangs innerhalb einer Rasterperiode von weniger als 1 sec ausführen. Daher verwendet das gezeigte Ausführungsbeispiel eine dieser Hochgeschwindigkeits- Raster-Photospektroskope. Das Spektrum des Lichtstrahls vom Photospektroskop 25 tritt durch den Chopper 10, die Linse 11, einen Strahlteiler 26 und die Seitenwand der Reaktionsröhre 5, um auf das Substrat 1 auf dem Probenhalter 6 zu fallen. Ähnlich wie bei dem vorangegangenen ersten Ausführungsbeispiel ist der Einfallswinkel des auf das Substrat 1 einfallenden Lichtstrahls ungefähr 90º in Bezug auf die Substratoberfläche. Der von dem Substrat 1 oder der auf dem Substrat wachsenden Halbleiterschicht reflektierte Lichtstrahl wird durch einen Ablenkungsspiegel 12 abgelenkt, um von einer Photovervielfacher-Röhre 16 empfangen zu werden. Der Photovervielfacher 16 gibt ein die Lichtintensität bezeichnendes Signal aus, das repräsentativ ist für die Intensität des empfangenen Lichtstrahls und leitet das die Lichtintensität bezeichnende Signal über einen Verstärker 17 einem Datensammelabschnitt 27 zu. Wie beim vorangegangenen ersten Ausführungsbeispiel weist der Verstärker 17 einen Lock-in-Verstärker auf und ist so mit dem Chopper gekoppelt, um im Betrieb gesteuert zu werden. Insbesondere passieren den Verstärker 17 nur Ausgangssignale des Photovervielfachers 16, die in Bezug auf den Lichtstrahl erzeugt worden sind, der durch den Chopper ausgewählt worden sind.
Andererseits wird die vom Strahlteiler 26 abgetrennte Lichtstrahlkomponente durch eine andere Photovervielfacher-Röhre 28 empfangen. Der Photovervielfacher 28 gibt ebenfalls ein die Lichtintensität bezeichnendes Signal aus, das die Intensität der empfangenen Lichtstrahlkomponente repräsentiert und liefert das die Lichtintensität bezeichnende Signal dem Datensammelabschnitt 27 über einen Verstärker 29. Ähnlich wie der Verstärker 17 weist der Verstärker 29 einen Lock-in-Verstärker auf und ist so mit dem Chopper gekoppelt, um im Betrieb gesteuert zu werden. Insbesondere passieren den Verstärker 29 nur Ausgangssignale des Photovervielfachers 28, die in Bezug auf den Lichtstrahl erzeugt worden sind, der vom Chopper ausgewählt worden ist.
Der Datensammelabschnitt 27 ist mit einem Drucksensor 33 gekoppelt, der zur Überwachung des Drucks in der Reaktionsröhre ausgebildet ist. Der Drucksensor 33 erzeugt ein Drucksignal, das den Druck in der Reaktionsröhre bezeichnet. Der Datensammelabschnitt 27 ist ebenfalls mit einer Steuerung 30 auf Computerbasis verbunden. Andererseits ist die Steuerung 30 mit einem MFC-Steuerabschnitt 31 verbunden. Der MFC-Steuerabschnitt 31 ist steuerbar mit der MFC 32 verbunden zur Steuerung einer Menge des Reaktionsgases, die durch die Reaktionsröhre 5 strömen soll, und mit einer MFC 34 zur Steuerung der Strömungsrate eines Trägergases. Die Steuerung 30 leitet ein Gasfluß-Steuersignal auf Basis des Wertes des Drucksignals vom Drucksensor 33 ab, um den Druck in der Reaktionsröhre 5 bei dem gewünschten Wert zu halten. Der MFC-Steuerabschnitt 31 steuert so die MFC 34 zur Anpassung der Trägergasströmungsrate. Andererseits empfängt die Steuerung 30 das die Lichtintensität bezeichnende Signal vom Photovervielfacher 16 über den Verstärker 17, um die Menge der Reaktionsgasversorgung abzuleiten. Auf Basis der abgeleiteten Menge der Reaktionsgaszuführung leitet die Steuerung ein Reaktionsgasfluß-Steuersignal ab. Der MFC-Steuerabschnitt 31 steuert daher die MFC 32 so, um die Menge des durch die Reaktionsröhre 5 fließenden Reaktionsgases zu steuern.
Der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels der MOCVD-Vorrichtung mit Überwachung von Wachstumsparametern wird im folgenden beschrieben. Zuerst gibt die Steuerung 30 das Reaktionsgasfluß-Steuersignal an den MFC-Steuerabschnitt 31 aus, um die MFC 32 zu steuern, damit eine vorbestimmte Menge des Reaktionsgases durch die Reaktionsröhre 5 strömt. Gleichzeitig wird das Hochgeschwindigkeits-Raster- Photospektroskop 25 aktiviert, um den Raster-Vorgang zu starten. Durch Starten des Betriebs des Photospektroskops 25 rastert der Lichtstrahl durch das Photospektroskop 25, den Chopper 10, die Linse 11, den Strahlteiler 26, das Substrat 1 und die auf dem Substrat wachsende Halbleiterschicht ab. Der von der Oberfläche der wachsenden Halbleiterschicht reflektierte Lichtstrahl wird durch den Ablenkungsspiegel 12 abgelenkt, um die Photovervielfacher-Röhre 16 zu bestrahlen. Das die Lichtintensität bezeichnende Signal wird von der Photovervielfacher-Röhre ausgegeben und dem Datensammelabschnitt 27 über den Lock-in-Verstärker 17 eingegeben. Gleichzeitig empfängt die Photovervielfacher-Röhre 28 die von dem Strahlteiler 26 abgeteilte Lichtkomponente, um das die Lichtintensität bezeichnende Signal auszugeben. Das die Lichtintensität bezeichnende Signal der Photovervielfacher-Röhre 28 wird dem Datensammelabschnitt 27 über den Lock-in-Verstärker 29 eingegeben. Nimmt man an, der Wert des die Lichtintensität bezeichnenden Signals der Photovervielfacher-Röhre 16 sei A und der Wert des die Lichtintensität bezeichnenden Signals der Photovervielfacher-Röhre 28 sei B, so variiert die Reflexionsintensität (B/A) wie in Fig. 9 gezeigt als Koeffizient der Wellenlänge λ des Lichtstrahls. Die Reflexionsintensitätsdaten (B/A) werden ebenfalls im Datensammelabschnitt 29 gespeichert und durch die Steuerung 30 analysiert. Auf Basis der Ergebnisse der Analyse erzeugt die Steuerung 30 das Reaktionsgasfluß-Steuersignal, um die MFC 32 über den MFC-Steuerabschnitt 31 zu steuern. Daher wird die Strömungsmenge des Reaktionsgases durch die Reaktionsröhre 5 gesteuert, um die Zusammensetzung der wachsenden Halbleiterschicht und die Wachstumsgeschwindigkeit einzustellen. Daher können die Wachstumsbedingungen der Halbleiterschicht rückkoppelnd gesteuert werden durch In-Situ-Überwachung auf Basis der Reflexionsintensitätsdaten als Koeffizient der Wellenlänge λ des Rasterlichtstrahls.
Fig. 10 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen MOCVD- Vorrichtung. Wie aus Fig. 10 entnommen werden kann, wird dieses Ausführungsbeispiel auf eine MOCVD-Vorrichtung in vertikaler Ausführung angewandt. Die Vorrichtung weist eine Glasglocke 40 und einen scheibenförmigen Probenhalter 41 auf. Mehrere Substrate 1 sind auf dem Probenhalter 41 befestigt. Obwohl in der Zeichnung nicht klar dargestellt, ist der Probenhalter 41 drehbar mit einer Antriebswelle (nicht dargestellt) zur Drehung innerhalb der Glasglocke 40 verbunden. Es sei gesagt, daß die gezeigte MOCVD-Vorrichtung von Fig. 10 eine Heizeinrichtung und ein Gaszuführungssystem aufweist, die in an sich bekannter Weise angeordnet sind.
Die Glasglocke 40 weist optische Fenster 42a, 42b, 42c und 42d um seine Spitze herum auf. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die optischen Fenster 42a, 42b, 42c und 42d aus transparentem Quarzmaterial ausgebildet. Diese optischen Fenster 42a, 42b, 42c und 42d sind radial an Positionen entsprechend den Positionen der Substrate 1 auf dem Probenhalter 41 angeordnet und sind am Umfang in regelmäßigen Abständen angeordnet. Weiterhin sind die optischen Fenster 42a, 42b, 42c und 42d optisch flach ausgebildet, um keine Diffusion des einfallenden Lichtstrahls und des reflektierten Lichtes hervorzurufen. Paare von Lichtleitfasern 43a und 43b sind mit den entsprechenden optischen Fenstern 42a, 42b, 42c und 42d verbunden, um Lichtstrahlen auf die Substrate 1 und auf den Probenhalter 41 einzustrahlen und das reflektierte Licht zu empfangen. Jede Lichtleitfaser 43a ist so angeordnet, um einen Lichtstrahl vom Laser 44 als Lichtquelle über den Chopper 45 und den Strahlteiler 46 zu empfangen. Ähnlich wie beim vorangegangenen zweiten Ausführungsbeispiel teilt der Strahlteiler 46 den Lichtstrahl vom Laser 44, um die abgeteilte Lichtkomponente der Photovervielfacher-Röhre 47 zuzuführen. Die Photovervielfacher-Röhre 47 gibt ein die Lichtintensität bezeichnendes Signal aus, um dasselbe dem Datensammelabschnitt 48 über den Lock-in-Verstärker 49 zuzuführen.
Andererseits gelangt der Lichtstrahl vom Laser über die Lichtleitfaser 43a, um auf die Oberfläche des Substrats 1 oder der auf dem Substrat wachsenden Halbleiterschicht über ein optisches Fenster 42a, 42b, 42c und 42d abgestrahlt zu werden. Das vom Substrat 1 reflektierte Licht wird von der Lichtleitfaser 43b empfangen und der Photovervielfacher-Röhre 50 zugeführt. Die Photovervielfacher-Röhre 50 erzeugt ein die reflektierte Lichtintensität bezeichnendes Signal, das dem Datensammelabschnitt 48 über den Lock-in-Verstärker 51 zugeführt wird.
Bei der praktischen In-Situ-Überwachung zur rückkoppelnden Steuerung der Reaktionsgasflußmenge mittels der Steuerung 52 und dem MFC-Steuerabschnitt 53 werden die Lichtstrahlen vom Laser 44 konstant über die optischen Fenster 42a, 42b, 42c und 42d abgestrahlt. Da der Probenhalter 41 so ausgebildet ist, daß er den eingestrahlten Lichtstrahl nicht reflektiert, kann der Lichtstrahl nur erfaßt werden, wenn der Lichtstrahl auf eines der Substrate 1 eingestrahlt wird. Daher liegt während einer Drehperiode des Probenhalters 41 das Substrat 1 nacheinander den optischen Fenstern 42a, 42b, 42c und 42d gegenüber. Während eines der Substrate 1 einem der optischen Fenster 42a, 42b, 42c und 42d gegenüberliegt, wird der Lichtstrahl vom Laser 44 vom Substrat reflektiert und von der Lichtleitfaser 43b empfangen. Auf Basis der in dem Datensammelabschnitt gesammelten Daten wird die Reflexionsintensität (B/A) als Koeffizient der Wellenlänge λ abgeleitet. Die Steuerung 42 erzeugt so das Reaktionsgasfluß-Steuersignal zur Steuerung der Reaktionsgasströmungsrate über den MFC-Steuerabschnitt 53.
Im praktischen Betrieb wird der Probenhalter 41 mit einer Drehgeschwindigkeit von 20 Umdrehungen/min. bis 30 Umdrehungen/min angetrieben. Der im gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzte Laser ist ein He-Ne-Laser und erzeugt einen Laserstrahl der Wellenlänge λ = 632,8 nm (6328 Å). Während der Wachstumsperiode der Halbleiterschicht werden die die Intensität bezeichnenden Signale zyklisch von den entsprechenden Photovervielfacher-Röhren 50 erzeugt, die mit den entsprechenden optischen Fenstern 42a, 42b, 42c und 42d über die Lichtleitfasern 43b verbunden sind, wie in den Fig. 11(A), 11(B), 11(C) und 11(D) dargestellt ist. Nimmt man an, daß eines der Substrate auf dem Probenhalter 41 zu einem Zeitpunkt t&sub1; in Ausrichtung mit dem optischen Fenster 42a angeordnet ist, ist das gleiche Substrat zu den Zeitpunkten t&sub2;, t&sub3;, und t&sub4; mit den entsprechenden optischen Fenster 42b, 42c und 42d ausgerichtet angeordnet. Die Reflexionsintensitäten R&sub1; (B&sub1;/A&sub1;), R&sub2; (B&sub2;/A&sub2;), R&sub3; (B&sub3;/A&sub3;) und R&sub4; (B&sub4;/A&sub4;) werden zu den jeweiligen Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, und t&sub4; erhalten. Nach t&sub4; ist das gleiche Substrat I wiederum in Ausrichtung mit dem optischen Fenster 42a zum Zeitpunkt t&sub5; angeordnet, mit dem optischen Fenster 42b zum Zeitpunkt t&sub6; und mit dem optischen Fenster 42c zum Zeitpunkt t&sub7;. Die Reflexionsintensitäten R&sub5; (B&sub1;/A&sub1;), R&sub6; (B&sub2;/A&sub2;) und R&sub7; (B&sub3;/A&sub3;) werden zu dem jeweiligen Zeitpunkt t&sub5;, t&sub6; und t&sub7; erhalten. Daher kann die Variation des einen Substrats wie in Fig. 12 gezeigt dargestellt werden.
Auf dieser Basis und mit Verwendung des mit Bezug auf Fig. 4 und 5 beschriebenen Verfahrens kann der Wachstumsparameter der wachsenden Halbleiterschicht abgeleitet werden.
Während die vorliegende Erfindung mit Hilfe des bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern, sollte darauf hingewiesen werden, daß die Erfindung auf verschiedenen Wegen ausgeführt werden kann. Daher sollte die Erfindung als alle möglichen Ausführungsbeispiele und Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele umfassend angesehen werden, die ausgeführt werden können, ohne den in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Umfang der Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel könnte es möglich sein, verschiedene rückkoppelnde Steuervorrichtungen zur Steuerung von Wachstumsparametern während der Wachstumsperiode der dünnen Halbleiterschicht zu formulieren. Zusätzlich könnte es möglich sein, eine höhere Genauigkeit beim ersten Ausführungsbeispiel zu erhalten, indem der Brechungsindex, der Al-Anteil x und die Wachstumsgeschwindigkeit am ersten unteren Scheitelpunkt der Kurve, die für Veränderung der reflektierten Lichtintensität repräsentativ ist, als Anfangs-Parameter herangezogen werden und indem die momentanen Wachstumsparameter, wie Brechungsindex, Al-Zusammensetzung und Wachstumsgeschwindigkeit auf Basis der Anfangs-Parameter und der momentanen Reflexionsintensitätsmessungen abgeleitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von Wachstum und Zusammensetzung einer durch Abscheidung aus der Dampfphase gewachsenen dünnen Schicht folgende Verfahrensschritte aufweisend:

Einstrahlen von Lichtstrahlen auf die Oberfläche der dünnen Schicht mit einem Einfallswinkel, der im wesentlichen ein rechter Winkel in Bezug auf die Oberfläche der dünnen Schicht ist;

Auffangen eines von der dünnen Schicht reflektierten Lichtstrahls, um die Wachstumsparameter zu überwachen und ein die Wachstumsparameter bezeichnendes Signal zu erzeugen; und

rückkoppelndes Steuern von Wachstumsbedingungen der dünnen Schicht auf Basis des die Wachstumsparameter bezeichnenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Wachstumsparameter ein Brechungsindex der dünnen Schicht ist, der auf der Basis der Intensität des reflektierten Lichtstrahls abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein weiterer der Wachstumsparameter die Zusammensetzung der dünnen Schicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein weiterer der Wachstumsparameter die relative Intensität des reflektierten Lichtes in Bezug auf die Intensität des auf die dünne Schicht eingestrahlten Lichtstrahls ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die relative Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf die Intensität des eingestrahlten Lichtstrahls variabel ist abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtstrahls.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dünne Schicht au einem Substrat gebildet wird, das auf einem Probenhalter befestigt ist, der eine leicht geneigte Befestigungsoberfläche aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wachstumsbedingung durch Einstellen der Flußrate eines Reaktionsgases eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Probenhalter um eine seiner Mittelachsen mit einer gegebenen konstanten Geschwindigkeit drehbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Substrat auf dem Probenhalter zyklisch durch den Lichtstrahl bestrahlt wird, um das Licht mit einer Intensität zu reflektieren, die abhängig von der Variation der Wachstumsparameter variabel ist.

9. Vorrichtung zur Abscheidung aus der Dampfphase zur Bildung einer dünnen Schicht, aufweisend:

ein Reaktionsgefäß, durch weiches eine gesteuerte Menge eines Reaktionsgases fließt;

eine Einrichtung zum Einstrahlen eines Lichtstrahls auf die wachsende Schicht mit einem Einfallswinkel nahe einem rechten Winkel in Bezug auf die Oberfläche der wachsenden Schicht;

eine Einrichtung zum Auffangen des durch die wachsende Schicht reflektierten Lichtstrahls, um ein die Intensität des reflektierten Lichtstrahls bezeichnendes Signal zu erzeugen;

eine Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter der dünnen Schicht auf Basis des den reflektierten Lichtstrahl bezeichnenden Signals; und

eine Einrichtung zur Steuerung der Wachstumsbedingungen der dünnen Schicht auf Basis des Wachstumsparameters, so daß der Wachstumsparameter mit einem vorbestimmten Wert übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter so ausgebildet ist, daß der Brechungsindex der dünnen Schicht ableitbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter weiterhin angepaßt ist, die Dicke der dünnen Schicht in Abhängigkeit vom Wert des die Reflexion kennzeichnenden Signals abzuleiten.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter weiterhin angepaßt ist, die relative Intensität des reflektierten Lichts in Bezug zur Intensität einer Referenzlichtquelle abzuleiten, um die Zusammensetzung der dünnen Schicht zu detektieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter die Intensität der Referenzlichtquelle ableitet auf Basis der vor Beginn der Abscheidung der dünnen Schicht gemessenen reflektierten Lichtintensität.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zur Ableitung der Wachstumsparameter die Intensität der Referenzlichtquelle ableitet auf Basis der Lichtintensität, welche auf die dünne Schicht eingestrahlt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, aufweisend:

einen Probenhalter innerhalb des Reaktionsgefäßes und ein auf dem Probenhalter befestigtes Substrat und eine Einrichtung zur chemischen Abscheidung aus metallorganischen Dämpfen (MOCVD),

wobei der Probenhalter mit dem Substrat drehbar um eine Mittelachse ist und

wobei die Achse so ausgerichtet ist, daß das Substrat mit der Einrichtung zur Einstrahlung eines Lichtstrahls an einer gegebenen Winkelposition während der Rotation ausgerichtet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung zur Einstrahlung eines Lichtstrahls mehrere Lichtquellen zur Einstrahlung eines Lichtstrahls mit beinahe rechten Winkeln in Bezug auf die Oberfläche des Substrats aufweist, wobei jede der Lichtquellen so angeordnet ist, daß sie mit dem Substrat an einer vorbestimmten Winkelposition des Probenhalters ausgerichtet ist.