DE69908792T2

DE69908792T2 - Effusionszelle für molekularstrahlenepitaxie

Info

Publication number: DE69908792T2
Application number: DE69908792T
Authority: DE
Inventors: K. Arto SALOKATVE; C. David POOLE
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Oxford Instruments Plasma Technology Ltd
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: DE69908792D1; US6053981A; EP1115919B1; EP1115919A1; WO2000015883A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Abscheidung von Schichten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) verwendet wird.
Die MBE ist ein nützliches Verfahren zum Wachsen mehrschichtiger Halbleiterbauelemente wie etwa Infrarotdetektoren, Diodenlaser und dergleichen. Da die Materialschichten für solche Bauelemente typischerweise aus hochreinen elementaren Materialkomponenten gewachsen werden und typischerweise unter Ultrahochvakuumbedingungen, beispielsweise 10^–6 Pa (10^–8 Torr) oder weniger, gewachsen werden, kann die Schichtzusammensetzung mit hoher Präzision gesteuert werden. Die Bestandteile des Schichtmaterials werden aus Effusionszellen verdampft, die vorzugsweise als isotherme Behälter für Material, das geschmolzen und verdampft werden soll, vorgesehen sind. Die Schichtdicke wird durch eine zeitlich abgestimmte Abscheidung mit einem vorbestimmten Fluss des verdampften Materials gesteuert. Der Fluss ist neben anderen Faktoren durch die Temperatur der Effusionszelle bestimmt. Ein Beispiel einer MBE-Vorrichtung ist in den am 14. März 1989 veröffentlichten japanischen Patentzusammenfassungen Bd. 013, Nr. 107 (c-576) offenbart, welche eine Anordnung von Effusionszellen in einem Vakuumgefäß beschreibt, in welchem ein ebener Substrathalter montiert ist. Jede Effusionszelle weist einen konischen Schmelztiegel auf, der an seinem breiten Ende offen ist und der als Öffnung an diesem Ende eine elliptische Öffnung aufweist, die parallel zu der Ebene des Substrathalters angeordnet ist. Der konische Körper des Schmelztiegels ist ansonsten in Ebenen, zu welchen die Mittelachse des Körpers senkrecht steht, im Querschnitt kreisförmig. Jeder Schmelztiegel ist derart angeordnet, dass dessen Mittelachse einen spitzen Einfallwinkel mit der Ebene des Substrathalters bildet.
Obgleich sie als Verfahren für die Entwicklung und Untersuchung experimenteller Bauelemente und von Prototypen favorisiert wird, ist die MBE bisher als Verfahren der Wahl zur Massenproduktion von Bauelementen als zumindest zweitrangig gegenüber der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) betrachtet worden. Dieses Verfahren, obwohl es in der Lage ist, hohe Wachstumsraten und eine gute Schichtgleichförmigkeit zu liefern, macht jedoch die Verwendung hochtoxischer, metallorganischer Vorläufermaterialien erforderlich. Dies erfordert wiederum, dass weitreichende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen, um die Bediener einer solchen MOCVD-Anlage und eigentlich jeden in oder um eine Einrichtung, in welcher diese aufgestellt ist, zu schützen.
Es wird allgemein angenommen, dass die MBE nur eine geringe Wachstumsrate bietet, keine Abscheidung gleichförmiger Schichten über eine relativ große Fläche ermöglicht und eine häufige Neubestückung von Zellen und Wartung der komplizierten Vakuumausrüstung erfordert. Diese Wahrnehmung ist nicht ganz korrekt, da MBE-Vorrichtungen verfügbar sind, die Effusionszellen mit hoher Kapazität beinhaltet, welche derart angeordnet werden können, dass relativ gleichförmige Schichten auf einem Substrat abgeschieden werden, das während der Schichtabscheidung konstant gedreht wird. Die Kapazität der Zellen ist derart, dass diese über Zeitspannen von Wochen oder sogar Monaten ohne Neubestückung verwendet werden können, was es ermöglicht, eine Abscheidekammer für diese Zeitdauer unter Vakuum zu halten. Substrate werden über eine Vakuumschleuse in die Abscheidekammer eingebracht und aus dieser entfernt. Typischerweise ist bei diesen Hochleistungszellen jedoch die Gleichförmigkeit des Dickenwachstums auf etwa ±2% beschränkt und ändert sich deutlich mit abnehmendem Füllstand des Materials in der Zelle. Der Fluss aus solchen Zellen in Funktion der Zellentemperatur ändert sich ebenfalls mit der Materialerschöpfung, was erfordert, dass der Fluss neu bemessen werden muss, wenn nicht während eines Bauelemente-Abscheidezyklus', so doch mit Sicherheit von einem Abscheidezyklus zum nächsten. Dies kann ein besonderes Problem darstellen, wenn solche Bauelemente wie etwa vertikalemittierende Halbleiterlaser (VCSEL – vertical cavity surface emitting semiconductor lasers), die bis zu 100 oder mehr einzelne Schichten exakt kontrollierter Dicke beinhalten können, abgeschieden werden.
Es sind Anstrengungen unternommen worden, um die Gleichförmigkeit und die mit der Materialerschöpfung einhergehende Änderung der Flussverteilung zu verbessern, und zwar durch Verwendung interner Ablenkplatten in einer Zelle, um die Flussverteilung zu formen. Durch die Verwendung von Ablenkplatten werden jedoch mehrere Pfade bereitgestellt, über welche Moleküle, die die Oberfläche des geschmolzenen Materials verlassen, ein Substrat erreichen können. Moleküle, die nicht direkt von der Schmelzenoberfläche zu dem Substrat gelangen, können indirekt an dem Substrat ankommen, nachdem sie ein- oder mehrmals von diesen Ablenkplatten oder von einer Innenwand der Zelle über diese Ablenkplatten reflektiert oder absorbiert und erneut emittiert worden sind. Der Beitrag solcher indirekt ankommenden Moleküle zu dem Schichtwachstum ist schwer vorherzusagen, und es ist anzunehmen, dass das Verhältnis von indirekt zu direkt ankommenden Molekülen sich mit der Abnahme des Materials in der Zelle deutlich ändert. Es wird angenommen, dass solche Verbesserungen darauf beschränkt sind, eine momentane Gleichförmigkeit der Schichtdicke in der Größenordnung von etwa 2% zu liefern.
WO 96 35091 beschreibt Schmelztiegel von Effusionszellen, die einen im Wesentlichen geradwandigen zylindrischen Körper aufweisen, sodass sie eine Schmelzenoberfläche bieten, die in der Größe (Fläche) und der Gestalt konsistent ist, im Gegensatz zu dem zuvor erwähnten konischen Schmelztiegel, bei welchem die Schmelzenoberfläche mit der Volumenabnahme der Schmelzencharge abnimmt. Bei diesen bekannten Schmelztiegeln ist ein offenendiger, kegelstumpfförmiger Abschnitt mit dem zylindrischen Rumpfabschnitt kombiniert, sodass das verdampfte Material von der Schmelzenoberfläche den zylindrischen Rumpfabschnitt durch das schmalere offene Ende des kegelstumpfförmigen Abschnitts verlässt und den Schmelztiegel als Ganzes durch die Lage des offen Endes des kegelstumpfförmigen Abschnitts verlässt.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Gleichförmigkeit der Schichtdicken, die in einer MBE-Vorrichtung abgeschieden werden, als auch ein Bedarf an einer Effusionszelle, die unabhängig von dem Materialgehalt der Zelle einen konstanten Gasphasenfluss liefert. Durch eine verbesserte Gleichförmigkeit der Schichtdicke kann sich die Anzahl guter Bauelemente, die in einem Produktionszyklus hergestellt werden, erhöhen. Eine konstante Gleichförmigkeit der Schichtdicke während eines Produktionszyklus und von einem Produktionszyklus zum nächsten kann wesentlich die Zeit vermindern, die zur Messung oder Kalibrierung des Zellenflusses erforderlich ist, wodurch die Produktionszyklen verkürzt werden und die Produktivität der Vorrichtung verbessert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung einer Effusionszelle in Bezug auf einen rotierenden Substrathalter in einer MBE-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Zelle derart angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen unabhängig von dem Füllstand des Materials in der Zelle eine gleichförmige Schichtdicke auf einem Substrat liefert.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine MBE-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, umfassend: einen ebenen Substrathalter zum Halten eines Substrats, wobei der Substrathalter um eine senkrecht zu diesem stehende Rotationsachse drehbar ist; eine Effusionszelle, die einen Schmelztiegel mit einer Oberseite und einer Längsachse umfasst, wobei die Oberseite des Schmelztiegels nur eine Öffnung aufweist, wobei die Effusionszelle mit der Öffnung des Schmelztiegels in einem vorgegebenen Abstand von dem Substrathalter und versetzt zu der Rotationsachse desselben angeordnet ist, wobei die Längsachse des Schmelztiegels zu dem Substrathalter hin in einem Winkel zu dessen Rotationsachse gerichtet ist; wobei der Schmelztiegel erhitzbar ist, um ein in diesem platziertes Material zu schmelzen, wobei das geschmolzene Material eine Schmelzenoberfläche bildet, von welcher Moleküle des Materials verdampft werden; und wobei die Öffnung derart angeordnet ist und die Abmessungen des Schmelztiegels derart vorgesehen sind, dass verdampfte Moleküle, die von einer vorgegebenen Fläche des Substrathalters aufgenommen werden, aus einem Bereich der Schmelzenoberfläche beigesteuert werden, der sich proportional zum Quadrat des Abstands der Schmelzenoberfläche von dem Substrathalter erhöht, während sich der Abstand auf Grund der Abnahme des Materials in dem Schmelztiegel durch Verdampfung erhöht, wodurch der molekulare Fluss auf die vorgegebene Fläche des Substrathalters während dieser Abnahme konstant bleibt.
Die Oberseite des Schmelztiegels kann in solcher Weise konfiguriert sein, dass das Substrat nur verdampfte Moleküle empfängt, die direkt von der Schmelzenoberfläche zu diesem gelangen.
'Im Wesentlichen konstant' meint hier 'innerhalb der Grenzen, die durch die Herstellungs- und Messgenauigkeit bestimmt sind'.
Vorzugsweise weist die Oberseite des Schmelztiegels nur eine elliptische Öffnung auf. Die Ebene der Öffnung ist zur Parallelität mit der Ebene des Substrathalters hin geneigt, wobei die Hauptachse der elliptischen Öffnung radial in Bezug auf die Rotationsachse des Substrathalters ausgerichtet ist. Bei einer Anordnung, in welcher die Ebene der Öffnung parallel zu der Ebene des Substrathalters liegt, kann eine bessere Gleichförmigkeit der Schichtdicke auf dem Substrat als 0,5% realisiert werden. Die Gleichförmigkeit der Schichtdicke ist bei jedem in Frage kommenden Füllstand des Materials in dem Schmelztiegel im Wesentlichen konstant.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schmelztiegel eine allgemein kegelstumpfartige Form auf, wobei die Oberseite des Schmelztiegels vollständig offen ist und in einem Winkel zu der Achse des Schmelztiegels angeordnet ist, um die elliptische Öffnung bereitzustellen, wobei der Radius des Schmelztiegels zu dessen Grundfläche hin proportional zum Abstand dieses Radius' von dem Substrathalter zunimmt. Diese Anordnung des Schmelztiegels weist einen Vorteil dahingehend auf, dass bei jedem in Frage kommenden Füllstand von geschmolzenem Material in dem Schmelztiegel die Schmelzenoberfläche nicht größer ist, als erforderlich ist, um einen direkten Beitrag an Molekülen zu dem Substrat zu liefern.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schmelztiegel eine zylindrische Form auf, und die Öffnung ist in einem Deckel des Schmelztiegels ausgebildet. Der Durchmesser des Schmelztiegels ist ausreichend dafür, dass bei einem tiefstmöglich in Frage kommenden Füllstand von geschmolzenem Material in dem Schmelztiegel der freiliegende Schmelzenoberflächenbereich eine ausreichende Abmessung aufweist, um den beitragenden Oberflächenbereich für Moleküle zu beinhalten, die von dem Substrat direkt aus diesem empfangen werden. Ein eingebetteter Leiter oder dergleichen kann zur Heizung des Deckels in dem Deckel enthalten sein. Ein Heizen des Deckels verhindert die Ansammlung von kondensiertem Material um die Öffnung in diesem herum. Dies verhindert, dass solches Material zu Defekten in der auf dem Substrat gewachsenen Schicht beiträgt.
Für eine Zelle mit einer Kapazität von 170 cm³ wird eine Gleichförmigkeit der Schichtdicke von etwa 0,004 (0,4%) über eine Substratfläche von etwa 19,0 cm Durchmesser vorhergesagt, und zwar in einem Abstand von etwa 41 cm von der Substratfläche aus, gemessen entlang der Mittellinie des Schmelztiegels. Berechnungen zeigen an, dass sich die Wachstumsrate bei konstanter Temperatur nur um etwa 0,0005 (0,05%) ändert und sich die Gleichförmigkeit nur um etwa 0,001 (0,1%) ändert, während die Füllstandshöhe der Zelle von 170 cm³ auf 70 cm³ abfällt. 100 cm³ Material reichen aus, um eine Gesamtschichtdicke von einigen Hundert Mikrometern (μm) abzuscheiden.
Die Erfindung wird nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Aufriss, teilweise im Querschnitt, ist, der schematisch eine Anordnung eines Effusionszellenschmelztiegels in Bezug auf einen Substrathalter in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
1A eine teilweise perspektivische Ansicht ist, die schematisch eine Anordnung einer Öffnung in dem Schmelztiegel der Effusionszelle aus 1 zum Bereitstellen eines konstanten Flusses an dem Substrathalter, unabhängig von dem Schmelzenfüllstand in dem Schmelztiegel darstellt;
2 ein weiterer Aufriss der Anordnung aus 1, allgemein in der Richtung 2-2 aus 1 gesehen, ist;
3 eine Aufsicht von oben ist, die schematisch die Anordnung aus 1 darstellt;
4 eine graphische Darstellung ist, die schematisch die berechnete Flussverteilung in der Ebene des Substrathalters als Funktion des Abstands vom Mittelpunkt in einem Beispiel der Anordnung aus 1 darstellt;
5 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den berechneten Flussanteil von dem Schmelztiegel in der Ebene der Substrathalterwand als Funktion des Abstands vom Mittelpunkt in dem Beispiel aus 4 darstellt;
6 eine graphische Darstellung ist, die schematisch die berechnete integrierte radiale Verteilung des Flusses als Funktion des Abstands vom Mittelpunkt eines rotierenden Substrathalters in dem Beispiel aus 4 darstellt;
7 eine graphische Darstellung ist, die schematisch die berechnete relative Schichtwachstumsrate als eine Funktion des Füllstands des Schmelztiegels in dem Beispiel aus 4 darstellt;
8 ein Aufriss, teilweise im Querschnitt, ist, der schematisch eine andere Anordnung eines Effusionszellenschmelztiegels in Bezug auf einen Substrathalter in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ein Aufriss, teilweise im Querschnitt, ist, der schematisch eine weitere Anordnung eines Effusionszellenschmelztiegels in Bezug auf einen Substrathalter in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
In den begleitenden Zeichnungen sind gleiche Merkmale durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
1, 2 und 3 stellen schematisch eine Anordnung 20 einer Effusionszelle 22 in Bezug auf einen ebenen Substrathalter 24 dar, der, wie durch den Pfeil A angegeben ist, um eine Achse 26 senkrecht zu der Ebene des Substrathalters rotiert. Der Substrathalter 24 ist vorzugsweise kreisförmig und kann, wie im Fachgebiet allgemein bekannt ist, ein einziges Substrat oder eine Mehrzahl von Substraten halten.
Von der Effusionszelle 22 sind nur ein Schmelztiegel 28 und elektrisch heizende Spulen 30 (nur in 1 gezeigt) dargestellt. Fachleuten auf dem Gebiet, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird gegenwärtig sein, dass eine solche Zelle typischerweise eine Anordnung von Hitze reflektierenden Ablenkplatten zum Bereitstellen einer gleichmäßigen Temperatur in der Zelle, Wasserkühlung zum Verhindern der Abstrahlung von Hitze aus der Zelle sowie ein oder mehrere Thermoelemente zur Messung der Temperatur des geschmolzenen Materials in der Zelle aufweist. Die Heizanordnung aus 1 stellt nur ein Beispiel von Heizanordnungen für Schmelztiegel dar und soll nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend betrachtet werden. Da solche Anordnungen im Fachgebiet allgemein bekannt sind und eine Beschreibung dieser Anordnungen für das Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist, werden diese vorliegend nicht weiter beschrieben. Gleicherweise ist die Art und Weise, in welcher Effusionszellen und Substrathalter in einer MBE-Vorrichtung angeordnet sind, Fachleuten auf dem Gebiet allgemein bekannt und ist für das Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht notwendig. Dementsprechend ist vorliegend keine Beschreibung und Darstellung einer vollständigen MBE-Vorrichtung enthalten.
Fahren wir nun mit Bezug auf die 1, 2 und 3 fort, so weist der Schmelztiegel 28 eine allgemein kegelstumpfartige Form auf und ist mit seiner Längsachse 32 zum Substrathalter 24 hin gerichtet und in einem Winkel ϕ zur Rotationsachse 26 desselben ausgerichtet angeordnet. Die Bezeichnung 'allgemein kegelstumpfartig' soll hier ein wenig unregelmäßige Abschnitte eines nachfolgend diskutierten Kegelstumpfes einschließen.
Der Schmelztiegel 28 hält eine Charge Material 36, das verdampft werden soll. Das Material 36 bildet, wenn es geschmolzen ist, eine elliptisch geformte Schmelzenoberfläche, wie durch die gestrichelte Ellipse 38A angegeben ist, welche einen maximalen Füllstand von geschmolzenem Material darstellt, sowie durch die gestrichelten Ellipsen 38B und 38C, welche die allmähliche Abnahme der Charge durch Verdampfung darstellen. Es sollte hier angemerkt werden, dass nicht erwogen wird, das Material in dem Schmelztiegel 28 bis zu einem Ausmaß abnehmen zu lassen, dass die Grundfläche 29 desselben nicht vollständig von geschmolzenem Material bedeckt ist. Im Hinblick darauf kann die Grundfläche 29 des Schmelztiegels 28 alternativ derart vorgesehen sein, dass sie parallel zur Oberseite 27 desselben liegt.
Während das Material in dem Schmelztiegel 28 abnimmt (der Füllstand sinkt), wird der vertikale und horizontale Abstand H und D (Versatz) und dementsprechend der entsprechende geradlinige Abstand R der Schmelzenoberflächen von dem Substrathalter 24 zunehmen.
Die Oberseite 27 des Schmelztiegels 28 ist derart vorgesehen, dass sie eine elliptische Öffnung bildet, die durch die gestrichelte Ellipse 31 angegeben ist, wobei die Ebene dieser Öffnung am bevorzugtesten wie in 1 dargestellt parallel zu der Ebene des Substrathalters 24 ausgerichtet ist. Außerdem ist bevorzugt die Hauptachse 31M der Öffnung 31 radial zu der Rotationsachse 26 des Substrathalters 24 ausgerichtet (siehe 3). Bei dieser Ausrichtung wird die Hauptachse jeder Oberfläche der flüssigen Schmelze, beispielsweise 38BM, ebenfalls radial zu der Rotationsachse 26 ausgerichtet sein. Außerdem werden die Schmelzenoberflächen 38 die gleiche Elliptizität wie die Öffnung 31 aufweisen. Diese Elliptizität (ε) wird gleich
sein, wobei θ der Winkel der Längsachse 32 zu der Ebene der Schmelzenoberfläche ist und ω der Kegelwinkel der Schmelztiegelwandung ist (siehe 1). Die Öffnung 31 würde entlang der Achse 32 betrachtet kreisförmig erscheinen.
Eine Projektion der konischen Wandung 34 des Schmelztiegels 38 (in den 1, 2 und 3 durch die gestrichelten Linien 34A–D dargestellt) bildet auf dem Substrathalter 24 eine elliptische Fläche 40 mit einer Länge L und einer Breite W (siehe 3). Bei der Effusionszellenanordnung der vorliegenden Erfindung sind die Substrate 25, auf welchen Schichten gewachsen werden sollen, vorzugsweise in einem kreisförmigen Bereich 41 auf dem Substrathalter 24 mit dem Radius W angeordnet, um die Rotation des Substrates zu berücksichtigen.
Alle Moleküle, die nicht direkt von einer Schmelzenoberfläche 38 des Materials 36 durch die Öffnung 31 gelangen, werden auf dem Substrathalter 24 außerhalb des Bereichs 41 desselben auftreffen, während der Substrathalter gedreht wird. Der Bereich 41 kann somit keine indirekten Moleküle empfangen, welche die Öffnung 31 nach einem elastischen Zusammenstoß mit der Wand 34 des Schmelztiegels 28 verlassen. Hierbei beziehen wir uns natürlich auf die innere Oberfläche der Wand 34. Analog können alle Moleküle, die an der Wand 38 eingefangen und danach erneut aus dieser emittiert werden, durch die Öffnung 31 nicht in den Bereich 41 fallen, genau so wenig wie ein festes Partikel oder ein molekularer Cluster, die durch auftreffende Moleküle aus der Wand herausgeschlagen werden.
Es sollte hier angemerkt werden, dass die Größe des Substrathalters 24, wie er in den 1, 2 und 3 dargestellt ist, einer zweckmäßigen Beschreibung halber gewählt ist. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass der Substrathalter in der Praxis nicht größer als die Fläche zu sein braucht, von welcher indirekt ankommende Moleküle ausgeschlossen sind.
Ein Grund dafür, das Auftreffen anderer als der direkt ankommenden Moleküle auf einem Substrat 25 auszuschließen, besteht darin, dass erneut emittierte oder herausgeschlagene Moleküle, Partikel oder Cluster zu Defekten in einer wachsenden Schicht beitragen können. Durch Ausschließen des Auftreffens solcher indirekt ankommenden Spezien können die Defektgrade in der wachsenden Schicht minimiert werden.
Ein anderer wichtiger Grund dafür, das Auftreffen anderer als der direkt ankommenden Moleküle auf ein Substrat 25 auszuschließen, besteht darin, dass in einer Mischung aus direkt und indirekt ankommenden Molekülen der indirekt ankommende Anteil der Mischung sehr schwer vorhersagbar wäre. Weiterhin würde sich dieser Anteil sicherlich deutlich mit dem Erschöpfungsgrad ändern und sich möglicherweise außerdem stochastisch bei jedem beliebigen Erschöpfungsgrad ändern.
Wie nachfolgend beschrieben wird, ist es durch Ausschließen der Ankunft solcher indirekt ankommenden Moleküle möglich, die Verteilung des ankommenden molekularen Flusses exakt vorherzusagen. Weiterhin kann durch geeignete Anordnung der Effusionszelle 28 und des Substrathalters 24 die Flussverteilung derart gesteuert werden, dass innerhalb des Bereiches 41 eine Schicht mit einer besseren Gleichförmigkeit der Dicke als ±0,5% bei jedem beliebigen in Frage kommenden Füllstand des Materials in dem Schmelztiegel 28 gewachsen werden kann. Die gleiche Anordnung kann außerdem ermöglichen, dass der absolute Fluss in dem Bereich 40 des Substrathalters bei jedem beliebigen in Frage kommenden Füllstand des Materials in dem Schmelztiegel 28 konstant bleibt, wodurch die Notwendigkeit fortlaufender Messungen des Flusses und Anpassungen der Temperatur der Effusionszelle, während das Material in dem Schmelztiegel durch Verdampfung abnimmt, beseitigt ist. Dies wird erreicht, indem dafür gesorgt ist, dass der direkt beitragende Schmelzenoberflächenbereich 38 proportional zum Quadrat des zunehmenden Abstands R der Schmelzenoberfläche von dem Substrat zunimmt. Dies ist graphisch in 1A dargestellt, in welcher bestimmte physikalische Details des Schmelztiegels 28 der Deutlichkeit halber weggelassen sind. Hierbei empfängt ein Punkt P auf dem Substrat 24 bei einem ersten Füllstand in einem Abstand r' von dem Punkt P Material von einem Schmelzenbereich A' und bei einem zweiten Füllstand in einem Abstand r'' von dem Punkt P von einem Schmelzenbereich A''. Die Öffnung 31 ist in solcher Weise angeordnet, dass der Raumwinkel Ω folgendermaßen zu den Flächen A' und A'' sowie den Abständen r' und r'' in Beziehung steht:
Ist diese Beziehung gegeben und vorausgesetzt, dass der Schmelztiegel 28 und die Öffnung 31 ebenfalls wie zuvor beschrieben angeordnet sind, sodass der Punkt P Material nur direkt von dem Schmelzenbereich empfängt, bleibt der Fluss unabhängig von dem Füllstand der Schmelze konstant. Vorzugsweise ist der Kegelwinkel ω der Wandung des Schmelztiegels 28 derart vorgesehen, dass er mit dem Raumwinkel Ω übereinstimmt, sodass der Durchmesser des Schmelztiegels in jeder beliebigen Tiefe gerade ausreicht, um einen vollständigen, direkt beitragenden Schmelzenbereich 38 einzuschließen.
Nehmen wir nun Bezug auf 4, so ist die berechnete molekulare Flussverteilung in der Ebene des Substrathalters 24 graphisch durch so genannte "Isofluss"-Konturen dargestellt, die durch ihren Flusswert in willkürlichen Einheiten gekennzeichnet sind. Der Schmelztiegel (nicht gezeigt) ist vom Mittelpunkt versetzt in Richtung der negativen x-Achse der graphischen Darstellung angeordnet. Diese Flussverteilung gilt für die Anordnung aus 1, wobei: der Kegelwinkel ω der Wandung des Schmelztiegels 28 14° beträgt und der Winkel ϕ 36° beträgt. Die Öffnung 31 ist allgemein elliptisch und weist einen "langen Durchmesser" (Hauptachse) von 25,5 mm und einen "kurzen Durchmesser" (Nebenachse) von 20,3 mm auf und ist in einem entlang der Mittellinie des Schmelztiegels gemessenen Abstand von 410 mm angeordnet. Diese Abmessungen sind typisch für eine Anordnung, die für eine MBE-Vorrichtung des Modells V100, zu beziehen von VG SEMICON, East Grinstead, GB, geeignet ist.
In 4 ist zu sehen, dass die Isofluss-Konturen nicht vollständig die Form glatter Kurven aufweisen sondern eine abrupte Richtungsänderung zeigen, wenn sie die gestrichelten Kurven 4A und 4B kreuzen. Diese abrupte Richtungsänderung tritt als Ergebnis einer Änderung des Ursprungs des Flusses auf, und zwar von demjenigen, der direkt aus der Schmelze empfangen wird (zwischen den Kurven 4A und 4B), zu einer Kombination aus einem direkt aus der Schmelze empfangenen Fluss mit einem als Ergebnis von Zusammenstößen mit der Wandung 34 des Schmelztiegels 38 indirekt aus der Schmelze empfangenen Fluss.
In 5 ist zum Vergleich die berechnete Verteilung des indirekten Anteils des Flusses (aus dem Schmelztiegel) in der Ebene des Substrathalters 24 gezeigt. Diese ist wieder in Form von "Isofluss"-Konturen gezeigt, die durch ihren Wert in willkürlichen Einheiten gekennzeichnet sind. Es ist zu sehen, dass die Isofluss-Kontur mit dem niedrigsten Wert (1,1E^–5) allgemein in ihrer Position den Linien 4A und 4B aus 4 entspricht. Es ist außerdem zu sehen, dass es einen kreisförmigen Bereich gibt (um die Rotationsachse 26 herum zentriert), mit einem Radius zwischen etwa 9,0 und 10,0 cm, der nur den "direkten" Fluss von dem Schmelztiegel 28 empfängt. 'Direkt' meint hier wiederum 'nur direkt aus der Schmelze und nicht indirekt aus dieser über die Schmelztiegelwandung'. Es ist dieser Bereich, der zur Platzierung von Substraten entsprechend der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgewählt wird.
Nehmen wir nun Bezug auf 6, so ist die berechnete momentane integrierte radiale Verteilung des Flusses als Funktion des Abstands vom Mittelpunkt des rotierenden Substrathalters 24 dargestellt. Diese Flussverteilung repräsentiert natürlich die Dickenschwankung einer abgeschiedenen Schicht. Drei Kurven 6A, 6B und 6C repräsentieren diese Verteilung bei drei unterschiedlichen Füllständen von etwa 170 cm³, 130 cm³ und 70 cm³. Es ist zu sehen, dass die Kurven 6A–B in einem Schwankungsbereich zueinander von nur etwa 0,001 liegen. Zusammen ändern sich die Kurven 6A–C bis hinaus zu einem Abstand von etwa 9,5 cm (95 mm) vom Mittelpunkt glatt innerhalb etwa 0,004 zueinander.
Vergleichshalber stellt die Kurve 6D aus 6 die Schichtdickenschwankung (bei 130 cm³ Füllstand) dar, die man bei einem Schmelztiegel mit ähnlichen Abmessungen wie dem zuvor diskutierten Beispiel des Schmelztiegels 28 aus 1 erzielen würde, bei dem aber die Schmelztiegelöffnung eine kreisförmige Öffnung in einer Ebene wäre, die in 1 als Ebene 33 dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass die Schichtdickenschwankung über den Radius von 9,5 cm um eine Größenordnung größer als die für die elliptische Öffnung 31 ist.
Wenn weiterhin vergleichshalber eine Schichtdickenschwankung von 0,5% als sinnvoller oberer Grenzwert der zulässigen Schichtdickenschwankung genommen wird, ist aus den 6A–C zu ersehen, dass mit der Effusionszellenanordnung der vorliegenden Erfindung eine Schichtdickenabweichung von weniger als diesem oberen Grenzwert über einen Bereich des Substrathalters 24 mit einem Durchmesser von mehr als 180 mm zu erhalten ist. Relativ ausgedrückt, ist dieser Durchmesser größer als etwa 40% des Abstands von der Zelle zum Substrathalter, gemessen von der Öffnung 31 aus. Diese Gleichförmigkeit kann bei jedem beliebigen in Frage kommenden Füllstand des Schmelztiegels erzielt werden. Bei der Anordnung der Kurve 6D kann eine solche Abweichung nur in einem mittleren Bereich mit einem Durchmesser von weniger als 80 mm, d. h. weniger als 20% des Abstands von der Quelle zum Substrat und weniger als 25% der durch die Effusionszellenanordnung der vorliegenden Erfindung bereitgestellten nutzbaren Fläche, erhalten werden.
Die berechnete Rate des Schichtwachstums in der Ebene des Substrathalters 21 in der Mitte des Substrathalters ist als eine Funktion des Füllstandes in der zuvor beispielhaft dargestellten Effusionszellenanordnung der vorliegenden Erfindung schematisch in 7 dargestellt. Hierbei ist die Wachstumsrate unter Annahme einer konstanten Schmelzentemperatur für Füllstände des Schmelztiegels von 170,0 cm³, 130,0 cm³ und 70,0 cm³ (Punkte 7A, B bzw. C) berechnet worden, welche die Abnahme der Charge in dem Schmelztiegel 28 von einem "fast vollen" Füllstand (z. B. dem Füllstand 38A aus 1) bis zu einem minimal in Frage kommenden Füllstand (z. B. dem Füllstand 38C aus 1) darstellen. Die Kurve 7D, welche die Punkte verbindet, soll keine mathematische Beziehung zwischen dem Füllstand und der Wachstumsrate darstellen, sondern ist lediglich der Kontinuität halber hinzugefügt. In jedem Fall ist aus der graphischen Darstellung zu ersehen, dass die Schwankung der Wachstumsrate über die in Frage kommende Schwankung des Füllstands in dem Schmelztiegel hin nur etwa 0,0005 beträgt. Dies zeigt an, dass eine Anordnung aus Effusionszelle und Substrathalter entsprechend der vorliegenden Erfindung ohne die kontinuierliche Flussmessung, Neukalibrierung und Erhöhung der Zellentemperatur, die üblicherweise bei Effusionszellen des Standes der Technik erforderlich sind, genutzt werden kann. Vergleichshalber muss bei Effusionszellen des Standes der Technik die Zellentemperatur während der Nutzungsdauer der Charge typischerweise um mehrere zehn Grad erhöht werden, um einen konstanten Fluss beizubehalten.
Es sollte hier angemerkt werden, dass die graphischen Darstellungen aus den 4, 5, 6 und 7 speziell zum Zwecke der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Fachleute auf dem Gebiet werden aus der vorangegangenen Beschreibung erkennen, dass Mittel zur Berechnung der Verteilung der indirekt ankommenden Moleküle in dieser Weise nicht für die Ausführung dieser Prinzipien erforderlich sind. Die Auswahl von Parametern, die einen Bereich auf dem Substrathalter 24 bestimmen, der nur direkt ankommende Moleküle empfängt, sowie die Auswahl der Platzierung der Effusionszelle in Bezug auf den Substrathalter kann auf Grund der zuvor beschriebenen einfachen geometrischen Betrachtungen erfolgen. Danach kann eine Berechnung der Gleichförmigkeit der Dicke in dem Bereich 41 eines rotierenden Substrathalters 24 beispielsweise dadurch erfolgen, dass einfach die direkten molekularen Beiträge an ausgewählten Empfangspunkten innerhalb dieses (rotierenden) Bereichs über alle beitragenden Punkte integriert werden, die als Lambertsche Strahler betrachtet werden, und zwar innerhalb einer ausgewählten Schmelzenbereichsgrenze.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform 20 eines Effusionszellenschmelztiegels entsprechend der vorliegenden Erfindung ist mit besonderer Betonung darauf gestaltet, eine optimale Schichtdickengleichförmigkeit sowie Unabhängigkeit dieser Gleichförmigkeit von dem Füllstand des Schmelztiegels zu liefern. Jemand, der sich im Fachgebiet auskennt, wird jedoch ohne weitere Erklärung erkennen, dass die bevorzugte kegelstumpfartige Gestalt des Schmelztiegels bewirken kann, dass dieser etwas schwieriger herzustellen und in eine Effusionszelle einzubauen ist, als es ein herkömmlicher zylindrischer Schmelztiegel wäre. Dementsprechend sind nachfolgend kurz gefasst Anordnungen beschrieben, welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Effusionszellen mit zylindrischen Schmelztiegeln verkörpern.
8 stellt eine Anordnung 50 dar, bei welcher der kegelstumpfförmige Schmelztiegel 28 durch einen Schmelztiegel 52 mit einer zylindrischen Wandung 54 ersetzt ist. Eine Beschreibung der Heizungs- und Strahlungsabschirmanordnungen für den Schmelztiegel 52 ist weggelassen worden. Der Schmelztiegel 52 wird in solcher Weise angeordnet, dass, wenn dessen Längsachse 32 in einem Winkel ϕ zur Rotationsachse 26 des Substrathalters 24 hin gerichtet ist, die Oberseite 56 des Schmelztiegels parallel zu der Ebene des Substrathalters 24 liegt. Ein Deckel 58 ist auf dem Schmelztiegel 52 angeordnet. Der Deckel 58 weist eine elliptische Öffnung auf, die durch die gestrichelte Ellipse 61 angegeben ist. Die Öffnung 61 entspricht der Öffnung 31 der Anordnung 20 in 1 und ist derart bemessen, dass sie den gleichen Bereich 41 auf dem Substrathalter 24 bestimmt, der keinen indirekten Flussbeitrag, hier von der Wand 54 des Schmelztiegels 52, empfängt. Obgleich für den Schmelztiegel 61 eine elliptische Öffnung 61 bevorzugt wird, da sie besser die Öffnung 31 des Schmelztiegels 28 simuliert, wird die Verwendung einer kreisförmigen Öffnung nicht ausgeschlossen. Dabei ist jedoch eine Verringerung der erzielbaren Gleichförmigkeit möglich.
Der Durchmesser des Schmelztiegels 52 sollte ausreichen, um einen vollständigen, direkt beitragenden elliptischen Schmelzenoberflächenbereich (beispielhaft durch die gestrichelten Ellipsen 61A und 61B angegeben) bei allen in Frage kommenden Füllständen für das Material 36 unterzubringen.
Um die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Emission von Molekülen aus dem Rand der Öffnung 61 zu reduzieren, wird der Deckel 58 vorzugsweise während der Verdampfung des Materials geheizt. Die Heizung kann beispielsweise durch die Durchleitung von Strom durch Heizspulen oder eingebettete Glühdrähte 63 erfolgen, wie im Fachgebiet bekannt ist.
Eine weitere alternative Anordnung eines Effusionszellenschmelztiegels und Substrathalters entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in 9 dargestellt. Hierbei umfasst eine Anordnung 70 einen zylindrischen Schmelztiegel 72 mit einer zylindrischen Wandung 74. Der Schmelztiegel 72 ist mit seiner Längsachse 32 zu dem Substrathalter 24 hin gerichtet, und zwar in einem Winkel ϕ zur Rotationsachse 26 desselben. Wiederum sind die Details der Heizeinrichtung für den Schmelztiegel und dergleichen weggelassen.
Ein Deckel 78 ist in die Oberseite 76 des Schmelztiegels 72 eingefügt. Der Einsatz 78 weist einen ebenen Teil 79 auf, der parallel zu der Ebene des Substrathalters 24 angeordnet ist. Der Deckelteil 79 weist eine elliptische Öffnung auf, die durch die gestrichelte Ellipse 81 bezeichnet ist. Hierbei wird wiederum eine kreisförmige Öffnung nicht ausgeschlossen. Die Öffnung 81 entspricht der Öffnung 31 der Anordnung 20 in 1 und ist gleicherweise derart spezifiziert, dass sie denselben Bereich 41 auf dem Substrathalter 24 bestimmt, der keinen indirekten Flussbeitrag, hier von der Innenwand 74 des Schmelztiegels 72, empfängt. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass bei der Bestimmung der Größe der Öffnung 81 mögliche Flussbeiträge auf den Substrathalter auf Grund von Zusammenstößen oder erneuten Emissionen aus dem Abschnitt 83 des Deckels 78, der oberhalb des ebenen Teils 79 desselben freiliegt, berücksichtigt werden müssen. In Abhängigkeit von dem Ausmaß des Abschnitts 83 in einer speziellen Anordnung kann dies zu einer gewissen Reduzierung der erzielbaren Gleichförmigkeit im Vergleich zu den Anordnungen 20 oder 50 führen.
Wie im Falle der Anordnung 50 sollte der Durchmesser des Schmelztiegels 72 ausreichen, um einen vollständigen, direkt beitragenden elliptischen Schmelzenoberflächenbereich (beispielhaft durch die gestrichelten Ellipsen 81A und 81B dargestellt) bei allen in Frage kommenden Füllständen für das Material 36 unterzubringen. Der Deckel 78 wird während der Verdampfung des Materials vorzugsweise geheizt. Dementsprechend sind Heizspulen oder eingebettete Glühdrähte 63 vorgesehen, wie sie zuvor für den Deckel 50 des Schmelztiegels 52 beschrieben wurden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnungen aus Effusionszelle und Substrathalter sind die Schmelztiegelöffnungen als in einer Ebene parallel zu der Ebene des Substrathalters 24 liegend und von elliptischer Gestalt beschrieben. Obgleich die Vorteile dieser Anordnung aus den in den 6 und 7 graphisch dargestellten Ergebnissen offensichtlich sind, sollten diese nicht als einschränkend betrachtet werden. Fachleute auf dem Gebiet können modifizierte Anordnungen erdenken, bei denen beispielshalber die Öffnungen nicht exakt elliptisch sind oder von anderer Gestalt sind oder bei denen die Ebene einer Schmelztiegelöffnung als zur Parallelität mit der Ebene des Substrathalters 24 hin geneigt beschrieben werden kann, anstatt dass sie exakt parallel zu dieser liegt. Es wird davon ausgegangen, dass mehrere solcher modifizierten Anordnungen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich einer bevorzugten und anderer Ausführungsformen beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung durch die hier anhängenden Ansprüche definiert.

Claims

MBE-Vorrichtung, umfassend: einen ebenen Substrathalter (24) zum Halten eines Substrats, wobei der Substrathalter um eine senkrecht zu diesem stehende Rotationsachse (26) drehbar ist; eine Effusionszelle (22), die einen Schmelztiegel (28) mit einer Oberseite (27) und einer Längsachse (32) umfasst, wobei die Oberseite (27) des Schmelztiegels nur eine Öffnung (31) aufweist, wobei die Effusionszelle mit der Öffnung (31) des Schmelztiegels in einem vorgegebenen Abstand von dem Substrathalter (24) und versetzt zu der Rotationsachse (26) desselben angeordnet ist, wobei die Längsachse des Schmelztiegels (28) zu dem Substrathalter (24) hin in einem Winkel (φ) zu dessen Rotationsachse (26) gerichtet ist; wobei der Schmelztiegel (28) erhitzbar ist, um ein in diesem platziertes Material (36) zu schmelzen, wobei das geschmolzene Material eine Schmelzenoberfläche (38C) bildet, von welcher Moleküle des Materials (36) verdampft werden; und wobei die Öffnung (31) derart angeordnet ist und die Abmessungen des Schmelztiegels derart vorgesehen sind, dass verdampfte Moleküle, die von einer vorgegebenen Fläche des Substrathalters (24) aufgenommen werden, aus einem Bereich der Schmelzenoberfläche (38A, 38B und 38C) beigesteuert werden, der sich proportional zum Quadrat des Abstands (R) der Schmelzenoberfläche von dem Substrathalter (24) erhöht, während sich der Abstand (R) auf Grund der Abnahme des Materials (38) in dem Schmelztiegel (28) durch Verdampfung erhöht, wodurch der molekulare Fluss auf die vorgegebene Fläche des Substrathalters (24) während dieser Abnahme konstant bleibt.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Öffnung (31) in etwa parallel zu der Ebene des Substrathalters (24) liegt.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (31) elliptisch ist und eine Hauptachse (31M) derselben radial in Bezug auf die Rotationsachse (26) des Substrathalters (24) ausgerichtet ist.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung kreisförmig ist.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (28) eine allgemein kegelstumpfartige Form aufweist, wobei die Oberseite (27) desselben offen ist und die Öffnung als eine elliptische Öffnung (31) bereitgestellt ist, deren eine Hauptachse (31M) radial in Bezug auf die Rotationsachse des Substrathalters (24) angeordnet ist; und wobei der Durchmesser des Schmelztiegels (28) mit zunehmendem Abstand von dem Substrathalter (24) und direkt proportional zu diesem zunimmt.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Öffnung (31) in etwa parallel zu der Ebene des Substrathalters (24) liegt.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (52) eine zylindrische Form aufweist und die Öffnung (61) in einem Deckel (58) des Schmelztiegels ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Schmelztiegels (52) ausreicht, damit bei einem tiefstmöglich erwogenen Füllstand von geschmolzenem Material in dem Schmelztiegel der frei liegende Schmelzenoberflächenbereich eine ausreichende Abmessung aufweist, um den beitragenden Oberflächenbereich für Moleküle zu beinhalten, die direkt von diesem von der vorgegebenen Fläche des Substrathalters (24) aufgenommen werden.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Öffnung (61) parallel zu der Ebene des Substrathalters (24) liegt.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (61) elliptisch ist und eine Hauptachse derselben radial in Bezug auf die Rotationsachse (26) des Substrathalters (24) ausgerichtet ist.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung kreisförmig ist.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (58) erhitzbar ist.
MBE-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (31) und die Abmessungen des Schmelztiegels (28) ferner derart vorgesehen sind, dass eine vorgegebene Fläche des Substrathalters (24) nur verdampfte Moleküle aufnimmt, die direkt von der Schmelzenoberfläche zu dieser gelangen.