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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung
bzw. Beobachtung von Kristallwachstum. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung von Kristallwachstum,
die die Überwachung
von Kristallwachstum in einem Zustand, in dem der/die Kristalle wächst/wachsen
ermöglicht.
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In
bezug auf das Kristallwachstum ist die Überwachung des Wachstumsprozesses
eine der bedeutendsten Angelegenheiten. Da Gleichmäßigkeit
des Wachstums auf der Atomebene insbesondere in der Quanten-Nano-Struktur
benötigt
wird, die neuestens herbeigezogen wird, ist eine Überwachungsart
in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle wächst bzw.
wachsen, unumgänglich.
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Zum
Beispiel wurden ein reflektierendes Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl-Beugungsverfahren
und ein Reflexionsgradunterschied-Spektralverfahren bereits für das Kristallwachstum
durch die Molekularstrahl-Epitaxie (MBE: molecular beam epitaxy)
angewendet und ermöglichen
eine Echtzeit-Überwachung
des Kristallwachstums.
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Diese
herkömmlichen
Verfahren zur Überwachung
des Kristallwachstums ermöglichen
nur eine durchschnittliche Schätzung
der wahren Zwischenräume
auf Ebenen mehr als die Mikroebene, aber können nicht individuelle wahre
Zwischenräume auf
der Atomebene abschätzen.
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Das
Verwenden eines Raster-Tunnelmikroskops (STM: scanning tunneling
microscope), das eine räumliche
Auflösung
der Atomebene für
ein Schätzmittel
aufweist, wurde unlängst
in Erwägung gezogen,
um ein Überwachungsverfahren
für Kristallwachstum
in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle wächst bzw.
wachsen, zu verwirklichen.
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Eine Überwachung
mit dem STM in der MBE-Vorrichtung ist in der Tat wegen der hohen Dampfdruckatmosphäre der Rohmaterialien
in dem MBE-Wachstum und wegen akustischer Schwingungen und Vibrationen
von Maschinen, wie etwa einer Ummantelung bzw. Abdeckung für flüssigen Stickstoff
und einer Pumpe, sehr schwierig.
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Von
einer Überwachung
von Kristallwachstum, die eine solche Vorrichtung verwendet, ist
berichtet worden. Die Vorrichtung besteht aus einer MBE-Vorrichtung
und einer STM-Vorrichtung,
die jeweils einen eigenen Vakuumbehälter aufweisen und miteinander
durch einen Absperrschieber verbunden sind, der eingerichtet ist,
um in Ultrahochvakuum verwendet zu werden. Wenn die Überwachung
durchgeführt
wird, wird der Absperrhahn geöffnet
und ein Probenkristall bzw. Probenkristalle, der/die in der MBE-Vorrichtung
gewachsen ist/sind, wird/werden in die STM-Vorrichtung durch den
Absperrhahn entfernt. In der Vorrichtung ist der physikalische Bereich in
zwei Teile geteilt, d.h. einen für
MBE-Kristallwachstum
und den anderen für
STM-Überwachung.
Diese beiden Bereiche sind voneinander durch den Absperrhahn isoliert,
um solchen ungewünschten
Einflüssen,
wie hohe Dampfdruckatmosphäre,
akustische Schwingungen und Vibrationen, vorzubeugen. Die Überwachung
mit dieser Vorrichtung ist auf der einen Seite weit von der Überwachung
von Kristallwachstum in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle
wächst
bzw. wachsen entfernt, weil eine Methode angewendet wird, in der
Kristallwachstum einmal gestoppt ist, eine Substrattemperatur reduziert ist,
der/die Beispielkristall/e zu der STM-Vorrichtung durch den geöffneten
Absperrhahn herausgenommen wird/werden und dann die Überwachung
ausgeführt
wird.
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Die
Veröffentlichung "Design of a Scanning Microscope
for in situ topographic and spectroscopic measurements within a
commercial molecular beam epitaxy machine" (Design für ein Rastermikroskop zur in
situ topographischen und spektroskopischen Messung innerhalb einer
kommerziellen Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung), Journal of
Vacuum Science and Technology, Mai 1997, offenbart eine Vorrichtung,
die ein Raster-Tunnelmikroskop umfasst, das in einer Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung
eingebunden ist. Das STM ist in der Vorbereitungskammer der MBE-Maschine
angeordnet, um die Notwendigkeit einer separaten STM-Kammer zu vermeiden. Die
Scheibe bzw. der Wafer kann hierzu nach der Anordnung in der Anordnungskammer
transportiert werden, so dass Messungen der Wachstumsmorphologie
durchgeführt
werden können.
Zusätzlich
ist dort eine Reflexions-Hochenergieelektronen-Beugungsvorrichtung zur Durchführung der
Messungen während
des Wachsens vorgesehen.
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Obwohl,
wie voranstehend beschrieben ist, die Notwendigkeit einer Überwachung
des Kristallwachstums in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle
wächst
bzw. wachsen, stark eingefordert worden ist, ist die Überwachung,
die in der Atomebene durch das STM durchgeführt wird und die die ursprüngliche
Bedeutung des Überwachens
bzw. Beobachtens in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle
wächst
bzw. wachsen, erfüllt,
bislang nicht erreicht worden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überwachung
bzw. Beobachtung von Kristallwachstum vorgesehen, mit einer einen
Vakuumbehälter
aufwei senden Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung, einem eine Prüfspitze bzw.
Sonde aufweisenden Raster-Tunnelmikroskop, wobei das Raster-Tunnelmikroskop
mit der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung
verbunden ist und vor Dampfdruckatmosphäre und strahlender Hitze bzw. Wärmestrahlung
durch ein wärmeisolierendes
Schild geschützt
ist, einem in dem Vakuumbehälter
der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung angeordneten Substrathalter,
der mit einem Substratheizsystem versehen ist und angeordnet ist,
um während
der Überwachung
nur durch das mit dem Substrathalter in Kontakt stehende Raster-Tunnelmikroskop
gestützt
zu sein, und einem Antriebsmechanismus, der bewirkt, dass sich das
Raster-Tunnelmikroskop hin- und herbewegt, während das Raster-Tunnelmikroskop
gegenüber
dem Substrathalter belassen ist.
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Einige
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht, die einen Aufbau einer Vorrichtung zur Überwachung von
Kristallwachstum der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht, die die Verbindung bzw. Integration eines
Substrathalters mit einem STM darstellt.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht, die einen Aufbau zur Verbindung bzw.
Integration darstellt.
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4 zeigt
in einer Draufsicht Positionsverhältnisse zwischen einem Substrat
auf einem Substrathalter und Vorsprüngen eines STM.
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5 zeigt
ein STM-Bild einer Ga-Schicht.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist eine der Eigenschaften der bevorzugten
Ausführung,
dass ein Raster-Tunnelmikroskop (STM) mit einer Molekularstrahl-Epitaxie(MBE)-Vorrichtung
verbunden ist und die Überwachung
durch das STM in dem Zwischenraum, in dem der Kristall/die Kristalle
sich im Zustand des MBE-Wachstums befindet/befinden, durchgeführt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Überwachung in einem Zustand,
in dem ein Kristall bzw. Kristalle wächst bzw. wachsen", dass eine STM-Überwachung
von Kristallwachstum auf der Atomebene in dem gleichen Raum abläuft, wie
einer, in dem MBE-Kristallwachstum abläuft.
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Zur
Verwirklichung einer solchen Überwachung
sind in der bevorzugten Ausführung
ein mit einer Aussparung weit weg von einem Substratheizsystem plazierter
Substrathalter und ein wärmeisolierender
Schild, der das STM und den STM-Antriebsmechanismus
ganz bedeckt, vorgesehen.
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Der
Substrathalter hat eine breiterer Aussparung als ein gewöhnlich verwendeter
Halter, so dass die von dem MBE übertragene
Vibration unterbrochen werden kann.
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Da
das STM durch den wärmeisolierenden Schild
geschützt
wird, werden solche Einflüsse
wie die von hoher Dampfdruckatmosphäre und strahlender Hitze entsprechend
der Substratbeheizung unterdrückt.
Insbesondere wird einer nachteiligen Auswirkung auf einen Mikroantriebsmechanismus
der STM-Prüfspitze
vorgebeugt.
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Wie
in 1 dargestellt ist, sind in der Vorrichtung zur Überwachung
von Kristallwachstum ein Substrathalter (11) mit einem
Heizsystem, Molekularstrahlzellen (12) und eine Ummantelung
bzw. Abdeckung für
flüssigen
Stickstoff mit einer Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung, nämlich der
MBE- Vorrichtung
(1), vorgesehen und sind in einem Vakuumbehälter angeordnet.
Um ein Raster-Tunnelmikroskop, nämlich
das STM (2), hoch und runter zu bewegen, ist ein STM-Antriebsmechanismus
(3) vorgesehen.
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Wenn
die Überwachung
durchgeführt
wird, wird das STM (2), wie in 2 dargestellt
ist, hochbewegt und mit dem Substrathalter (11) verbunden bzw.
integriert. Kristallwachstum auf der Oberfläche einer Substratprobe, die
durch den Substrathalter gestützt
wird und sich im Vorgang von MBE-Kristallwachstum
befindet, wird durch das STM (2) überwacht bzw. beobachtet.
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Wie
in 3 dargestellt ist, hält der Substrathalter (11),
der einer der Teile ist, die die MBE-Vorrichtung (1) bilden,
ein Substrat (4). Ein Substratheizsystem (14)
ist mit dem Substrathalter (11) vorgesehen. Der Substrathalter
(11) ist durch den Eingriff von drei Stiften (15)
gestützt,
die sich in horizontaler Richtung von einer Umfangsfläche einer
Hülle bzw.
eines Gehäuses
des Substratheizsystems (14) mit in der Hülle ausgebildeten
Ausnehmungen bzw. Kerben (16) erstrecken. Der Substrathalter
(11) ist abseits von der Hülle des Substratheizsystems
(14) angeordnet, um eine Aussparung bzw. einen Zwischenraum (17)
zwischen dem Substrathalter (11) und Seiten- und Bodenflächen der
Hülle auszubilden.
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In
dem STM (2) ist ein STM-Scanner (24) mit einem
wärmeisolierenden
Schild (21) abgedeckt, der den STM-Scanner (24)
nicht nur vor MBE-hoher Dampfdruckatmosphäre sondern auch vor strahlender
Hitze entsprechend der Substratheizung schützt. Vorsprünge (23) sind im oberen
Bereich des wärmeisolierenden
Schilds (21) vorgesehen.
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Der
STM-Scanner (24) von Mikrogröße kann sich entlang der Richtungen
von drei Achsen (X-Y-Z) etwas bewegen. Eine STM-Prüfspitze
(22) ist an dem oberen Bereich des STM-Scanners (24)
gesichert. Wenn eine STM-Überwachung
durchgeführt
wird, steht die STM-Prüfspitze
(22) von der Innenseite des wärmeisolierenden Schilds (21)
hervor und ist der Oberfläche
des Substrats (4) gegenübergestellt,
wobei die Überwachung
des Kristallwachstums ermöglicht
wird.
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Bezüglich der
Vorsprünge
(23) ist die Form, Anzahl und Anordnung nicht beschränkt, aber
eine konische oder eine pyramidale Form ist vorzuziehen. Die Anzahl
beträgt
vorzugsweise drei, um mit der Oberfläche des Substrathalters (11)
an drei Stellen in Kontakt zu kommen. Einer der drei Vorsprünge (23) kann
außerdem
als elektrischer Anschluss dienen, der Tunnelstrom zwischen dem
Substrathalter (11) und dem Vorsprung ermöglicht.
In diesem Fall ist der Vorsprung von dem wärmeisolierenden Schild (21) isoliert.
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Wie
in 4 dargestellt ist, sind drei Vorsprünge (23)
an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet und kommen mit der Oberfläche des
Substrathalters (11) in Kontakt. Ein Vorsprung (23A)
unter diesen dreien dient als ein elektrischer Anschluss.
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Der
STM-Antriebsmechanismus (3) bewirkt, dass sich das STM
(2) aufwärts
in die MBE-Vorrichtung (1), die in einem Vakuumzustand
gehalten wird, bewegt und bewirkt, wie in 3 dargestellt,
dass die Vorsprünge
(23) mit der Oberfläche
des dazu an drei Positionen gegenüberliegenden Substrathalters
(11) in Kontakt kommen. Nachfolgend bewirkt der STM-Antriebsmechanismus
(3), dass sich die STM-Prüfspitze (22) nahe
an der Oberfläche
des Substrats (4) anordnet, um das Kristallwachstum an der
Oberfläche
des Substrats (4) basierend auf Tunnelstrom zu überwachen.
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Der
STM-Antriebsmechanismus (3) bewirkt, dass sich das STM
(2) abwärts
bewegt, um das STM (2) in der Ummantelung für flüssigen Stickstoff
unterzubringen, wenn eine Überwachung
in einem Zustand, in dem ein Kristall bzw. Kristalle wächst bzw. wachsen,
nicht nötig
ist, z.B. während
eines Langzeitpufferwachstums.
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Ein
schmales Rohr bzw. schmale Rohre, in das bzw. in die eine Verkabelung
bzw. Verdrahtung des STM (2) eingeführt ist, kann bzw. können in
der Säule
bzw. Stütze
des STM-Antriebsmechanismus (3)
vorgesehen sein, so dass die MBE (1) mit einer an der Außenseite
der MBE (1) angeordneten Kontrollvorrichtung verbunden
werden kann.
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Das
schmale Rohr kann außerdem
die Verkabelung des STM (2) vor elektromagnetischen Störungen der
Molekularstrahlzellen (12) schützen.
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Eine Überwachung
des Kristallwachstums unter Verwendung der vorstehend erwähnten Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung wird wie folgt beschrieben:
Das
STM (2) ist in dem unteren Abschnitt der MBE-Vorrichtung (1)
durch den STM-Antriebsmechanismus (3) aufgenommen und ein
Puffer wird hergestellt, um mit einem gewöhnlich verwendeten MBE-Wachstumsverfahren
zu wachsen, nachdem die Oberfläche
des durch den Substrathalter (11) gestützten Substrats (4)
gereinigt wurde. Das STM (2) wird aufwärts bewegt mit der Temperatur
der gehaltenen Probe, um mit dem Substrathalter (11), wie
in 3 dargestellt, verbunden bzw. integriert zu werden.
Der Substrathalter (11) wird von dem Substratheizsystem
(14) der MBE-Vorrichtung
(1) getrennt. Der Substrathalter (11) selbst wird
mit dem STM (2) verbunden und wird mit der breiten Aussparung
(17), die zwischen dem Substrathalter (11) und
dem Substratheizsystem (14) gebildet ist, angeordnet. Nachfolgend
kommt die STM-Prüfspitze
(22) in Kontakt mit dem Substrathalter (4) und
ein STM-Überwachungsmodus
wird vorbereitet.
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Rohmaterialien
werden in die MBE eingegeben, um eine STM-Überwachung
durch Öffnen
eines Verschlusses der Molekularstrahlzellen (12) durchzuführen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Suche nach Gegebenheiten bzw. Zuständen zur
Erzeugung einer Quanten-Nano-Struktur
ermöglicht bzw.
erleichtert und eine Quanten-Nano-Struktur mit der geregelten Größe wird
erzeugt.
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Eine
Erläuterung
des Prinzips eines Kristallwachstumsmechanismus wird ebenfalls aufgezeigt.
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Eine
Verbesserung der Qualität
von Quanten-Nano-Strukturen, die als schwierig herausgestellt wurde,
wird verwirklicht werden, eine Kontrolle der Größe wird ermöglicht werden und Vorrichtungen
mit einer Quanten-Nano-Struktur werden entwickelt werden. Weiterhin
wird eine neue Nano-Zeichnung, wie etwa ein zeitweises Vernetzen
zusammen mit Kristallwachstum durch Scannen der Prüfspitze
(22) des STM (2), möglich werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls die Möglichkeit, einen recht neuen
Wachstumsmechanismus gemäß dem Effekt
von hochelektrischen Feldern zwischen der Prüfspitze und der Probe zu erzeugen,
der von einem Tunnelphänomen
abgeleitet ist.
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Beispiele
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Ga-Kristalle
wurden hergestellt, um auf einem GaAs(001)-Substrat unter Verwendung der Vorrichtung
zur Überwachung
von Kristallwachstum mit dem vorstehend erwähnten Aufbau zu wachsen.
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Das
STM (2) war in dem unteren Bereich der MBE-Vorrichtung
(1) durch den STM-Antriebsmechanismus (3) aufgenommen
und ein GaAs-Puffer wurde hergestellt, um durch das MBE-Wachstumsverfahren zu
wachsen, nachdem die Oberfläche
des GaAs-Substrats gereinigt worden war.
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Das
STM wurde mit der Temperatur des bewahrten Substrats (4)
hochbewegt und der Substrathalter (11) wurde hochgehoben,
während
der Substrathalter (11) durch die Vorsprünge (23)
an drei dem Substrathalter (11) gegenüberliegenden Stellen gefasst
wurde.
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Der
Substrathalter (11) wurde von dem Substratheizmechanismus
(14) getrennt und wurde selbst mit dem STM (2)
durch die zwischen dem Substrathalter (11) und dem Substratheizmechanismus (14)
ausgebildete breite Aussparung verbunden.
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Die
STM-Prüfspitze
(22) wurde in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats (4)
gebracht. Ein STM-Überwachungsmodus
wurde vorbereitet.
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Nachfolgend
wurden Rohmaterialien von der Menge, mit der eine Atomschicht ausgebildet
wurde, durch Öffnen
des Verschlusses der Ga-Molekularstrahlzellen eingegeben. Eine STM-Überwachung wurde
durchgeführt.
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Eine
Mehrzahl von Ga-Clustern mit einem Durchmesser von ca. 1 nm wurden
in der Überwachungszone
mit einer Größe von 50 nm × 50 nm überwacht.
Dieses legte einen Anfangsprozess des Ga-Kristallwachstums dar.
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5 zeigt
ein STM-Bild, das direkt nach dem Zuführen von Ga-Molekularstrahlen
auf das GaAs(001)-Substrat in dem Vorgang des MBE-Kristallwachstums
bei 200° C
gewonnen wurde.
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Die
Menge des Ga-Molekularstrahls kann frei geändert werden. Ein As-Molekularstrahl
kann zeitweise zusammen mit einem Ga-Molekularstrahl zugeführt werden.
Andere Rohmaterialien wie In können
auch zugeführt
werden. Solange das Substrat leitend ist, wird die Überwachung
mit anderen Substraten als GaAs möglich sein.
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Es
ist unnötig
zu erwähnen,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt ist.