NL8400317A - Substraat-verwarmingsinrichting voor moleculaire bundel-epitaxie. - Google Patents

Description

ί * VO 51G7

Substraat-verwarmingsinrichting voor moleculaire bundel-epitaxie.

De uitvinding heeft betrekking op een epitaxiale moleculaire bundelneerslag onder omstandigheden met zeer hoog vacuum, en meer in het bijzonder op een temperatuur-geregelde veraarming van een groeisubstraat.

5 Moleculaire bundel-epitaxie (MBE) is een term, welke wordt gebruikt voor het aangeven van de epitaxiale groei van halfgelei-derfilms door een proces, waarbij de reactie van een of meer thermische moleculaire bundels met een kristallijn oppervlak onder omstandigheden met zeer hoog vacuum plaatsvindt. Het gebruik van sluitermechanismen en 10 betrekkelijk geringe groeisnelheden (bijvoorbeeld 1 ^um/h) maken een snelle verandering van bundelspecies en de groei van lagen zo dun als een monolaag mogelijk.

Bovendien kan aangezien aan de groeiende film door middel van gescheiden bundels electrisch actieve verontreinigingen worden 15 toegevoegd, het doteerprofiel loodrecht op het oppervlak worden gevarieerd en geregeld met een ruimtelijke resolutie, welke men lastig kan verkrijgen bij de meer conventionele methoden met snellere groei, zoals GVD en LPE.

MBE is gebruikt voor het vervaardigen van films van 20 een groot aantal verschillende materialen uit elementaire materialen zoals Si tot materialen behorende tot verbindingen van de groep III - V, de groep II - Vi en groep IV - VI. Silicium-MBE is gerelateerd aan de groep III - V MBE in termen van de uitrusting en de processen, die voor epitaxiale groei worden gebruikt. Deze silicium-MBE verschilt evenwel 25 in andere aspecten, zoals groeitemperatuur, defectstructuur, inrichtings-toepassingen en in het type en de kwaliteit van concurrerende epitaxiale groeimethoden, sterk.

Bij de meeste silicium-MBE-stelsels, zijn silicium-groei-substraatverwarmingsinrichtingen betrekkelijk eenvoudige inrich-30 tingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een directe ohmse verwarming van de substraat. De groeisubstraat bij dit type inrichting wordt aan tegenover elkaar gelegen uiteinden ingeklemd en daaraan wordt een spanning aangelegd. Om een uniforme verwarming van de substraat te verkrijgen, 8400317

Vv ΐ 2 zijn de groeisubstraatgeometrieën zodanig gewijzigd, dat deze rechthoekig zijn. De groeisubstraat wordt ook dikwijls sterk gedoteerd om de spanning, welke voor de initiële verwarming nodig is, tot een minimum terug te brengen. In de praktijk echter treedt geen uniforme verwarming op omdat 5 elke klem, die de groeisubstraat vasthoudt, de neiging heeft om als een warmteafvoerorgaan te fungeren, waardoor elk uiteinde van de groeisubstraat wordt afgekoeld. Bovendien treedt een niet-uniforme stroom in de substraat op omdat een electrisch contact bij slechts één plaats voor elke klem tot stand wordt gebracht.

10 De uitvinding beoogt te voorzien in een reproduceer bare, uniforme verwarming van de groeisubstraten, onafhankelijk van de geometrie, tot temperaturen, welke nodig zijn voor epitaxiale groei in een omgeving met een zeer hoog vacuum.

Een inrichting om een halfgeleidersubstraat voor mole-15 culaire bundel-epitaxie te verwarmen volgens de uitvinding omvat elec-trische gloeidraadverwarmingsorganen voor het opwekken van thermische energie en organen om een halfgeleiderlichaam tussen de verwarmings-organen en de te verwarmen substraat te monteren.

Een werkwijze voor het verwarmen van een halfgeleider-20 substraat voor moleculaire bundel-epitaxie volgens de uitvinding omvat het toevoeren van een stroom aan een electrische gloeidraadverwarmings-inrichting waarvoor het opwekken van stralingswarmte, die tenminste gedeeltelijk zodanig door een halfgeleiderlichaam wordt geabsorbeerd, dat het lichaam warmte naar de te verwarmen substraat uitstraalt.

25 De uitvinding zal onderstaand nader worden beschreven onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 in doorsnede een groeisubstraatverwarmingsinrichting volgens de uitvinding, bestemd om te worden toegepast bij si-licium-MBE met ronde plaatjes; 30 fig. 2 de verwarmingsgloeidraad en bijbehorende in richting, beschouwd vanuit de snijlijn II - II van fig. 1; fig. 3 een algemene temperatuur-versus-tijdkromme voor een silicium-MBE-groeiproces; en fig. 4 een diagram van de groeisubstraattemperatuur 35 versus het gloeidraadvermogen in de aanwezigheid of afwezigheid van de tussensubstraat.

8400317 dT ·· 3

De in de figuren weergeqeven qroe isubstraatverwar-mingsinrichting is bestemd om te worden toegepast voor epitaxiale groei od siliciumsubstraten of -plaatjes met een diameter van 5 cm. Het is duidelijk, dat deze inrichting kan worden gemodifieerd voor het verwer-5 ken van andere ronde siliciumsubstraten of rechthoekige substraten of dergelijke.

De subs traatverwarmings inrichting is bestemd om te worden toegepast bij silicium-MBE-stelsels met bijzonder hoog vacuum, en meer in het bijzonder in een te evacueren groei- of neerslagkamer daar-10 van. Silicium-MBE-stelsels zijn beschreven en aangegeven in de volgende technische artikelen: G.E. Becker en andere, J. Appl. Phys., vol. 48, nr. 8, pag. 3395; Y. Ota, J. Electrochem. Soc,, vol. 124, nr. 11, pag.

1797 en J. Appl. Phys., vol. 51, nr. 2, pag. 1102; M. Tabe en andere,

Jap. J. Appl. Phys., vol. 20, nr. 4, pag. 703; en M.Tabe, Jap. J. Appl.

15 Phys., vol. 21, nr. 3, pag. 534. De in de figuren 1 en 2 afgebeelde groeisubstraatverwarmingsinrichting is ondergebracht in de te evacuëren groeikamer en naar een electronenbundel-silicium-verdampingsbron gekeerd.

Onder verwijzing naar de beide figuren 1 en 2 omvat de groeisubstraatverwarmingsinrichting een ovensectie, een substraat-20 ondersteuningssectie, en een substraatsectie. Elke sectie zal hierna meer gedetailleerd worden beschreven.

De ovensectie omvat een verwarmingsbron 20 - 25 en een verwarmingsbronhouder, welke is voorzien van een buitenste ovenmantel 10, een stralingsscherm 11, een binnenste ovenmantel 12 en een frontplaat 13.

25 De buitenste ovenmantel 10 en de binnenste ovenmantel 12 zijn cilindrische, metallische omhulsels met aan slechts één uiteinde een opening.

Het stralings scherm 11 voorziet in een metallische isolatielaag tussen de binnenste ovenmantel 12 en de buitenste ovenmantel 10. De frontplaat 13 bestaat uit een ondersteuningselement, waarop de substraat-30 ondersteuningssectie is gemonteerd. Bij de inrichting volgens fig. 1 bezit de frontplaat 13 een opening met bij benadering dezelfde afmeting en vorm als het open uiteinde van de binnenste ovenmantel 12. Voor de ovensectie wordt een metaalconstructie met dunne wand gébruikt voor het verzekeren van een constructieve stijfheid en een minimale thermi-35 sche massa. Bij een voorbeeld werd tantaal voor de binnenste ovenmantel 12, het stralingsscherm 11 en de buitenste ovenmantel 10 gebruikt, 8400317 * * 4 terwijl voor de frontplaat 13 molybdeen werd gebruikt. Een bij wijze van voorbeeld gekozen binnendiameter en binnendiepte van de mantel 12 bedroeg respectievelijk bij benadering 5,7 cm en 1,9 cm.

De warmtebron omvat gloeidraden 20 en 21, geleiders 5 22, isolatoren 23, en gloeidraadsteunen 24 en 25. De isolatoren 23 zijn op een afstand van elkaar in het gesloten uiteinde van de ovenmantels 10 en 12 opgesteld voor het verschaffen van een isolerende leiding voor de beide geleiders 22 via de buitenste ovenmantel 10, het stralings-scherm 11 en de binnenste ovenmantel 12. De geleiders 12 bestaan uit een 10 stijf of halfstijf metallisch element, dat zich via de isolatoren 23 uitstrekt in de cilindrische holte, welke door de binnenste ovenmantel 12 wordt verschaft. De twee geleiders 22 bevinden zich op een afstand van elkaar en voeren een electrische stroom toe aan en verschaffen een eind-ondersteuning vóór de gloeidraden 20 en 21. De gloeidraden 20 en 21 zijn 15 op geleiders 22 gemonteerd, in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar en van elkaar gescheiden over een kleine afstand (^ 1 cm). Elke gloeidraad heeft een voorafbepaalde vorm, waarbij een verwarmingspatroon met groot oppervlak voor de substraten wordt verschaft. Zoals aangegeven in fig. 2, wordt voor elke gloeidraad een meanderende serpentine-geometrie gebruikt. 20 De gloeidraden 20 en 21 worden respectievelijk ondersteund door gloeidraadsteunen 25 en 24 om een doorzakken van de gloeidraden te beletten.

De gloeidraadsteunen 24 en 25 bestaan elk uit staaf vormige isolatoren, die de afstand tussen de beide geleiders 22 overspannen. In de praktijk kunnen de'isolerende elementen in de warmtebron bestaan uit pyrolytisch 25 boornitride, terwijl het stroom-voerende element uit tantaal kan bestaan. Elke geleider is bestemd om een gelijkstroom van tenminste 15 amp. te voeren.

Fig. 2 toont een aanzicht van de ovensectie beschouwd vanuit de snijlijn II - II van fig. 1.

30 In fig. 1 omvat de substraat-ondersteuningssectie een aantal ringen, die de substraten op de juiste plaats ten opzichte van elkaar en de ovensectie houden. De ringen 30, 31 en 32 ondersteunen de tussensubstraat 40 en verschaffen een in hoofdzaak omsloten gebied, waarbinnen zich de substraat 40 bevindt. De ringen 32, 33 en 34 ondersteu-35 nen de groeisubstraat 41 en verschaffen een in hoofdzaak omsloten gebied, waarbinnen zich de substraat 41 bevindt. De ring 32 voorziet ook in een

B

8400317 êr 5 juiste afstand tussen de tussensubstraat 40 en de groeisubstraat 41.

De binnendiameter van de ring 31 is iets groter dan de diameter van de substraat 40 teneinde een vrije radiale thermische uitzetting tijdens de verwarming van de substraat mogelijk te maken. Een soortgelijke rela-5 tie is aanwezig tussen de overeenkomstige diameters van de ring 33 en de substraat 41. Er is slechts een stijl 35 aangegeven, doch er is een aantal stijlen 35 binnen de omtrek van de stapel ringen 30 t/m 34 aanwezig, waarbij bijvoorbeeld een hoekafstand van 120° tussen de stijlen wordt gekozen. In de praktijk worden de ringen en stijlen uit tantaal 10 vervaardigd.

De sübstraatsectie omvat de tussensubstraat 40 en de groeisubstraat 41. De tussensubstraat 40 is evenwijdig aan.en gescheiden van de groeisubstraat 41 en bevindt zich tussen de gloeidraden 20 en 21 en de substraat 41. Tussen de substraten 40 en 41 wordt een afstand van. 15 200 tot 500 ^,um gekozen. Terwijl de groeisubstraat 41 uit silicium be staat, verdient het de voorkeur, dat de tussensubstraat 40 in hoofdzaak identiek is aan de substraat 41 wat betreft samenstelling en afmeting.

De tussensubstraat 40 voorziet in een uniforme verdeling van de thermische energie uit de gloeidraden 20 en 21 naar de groeisubstraat 41 en 20 blokkeert tevens een afvoer van verontreinigingen uit de ruimte binnen het omhulsel van de oven.

Fig. 3 toont een typisch temperatuur-tijddiagram voor silicium-MBE-behandeling van een siliciumsubsttaat van 5 cm. Substraat 41 wordt initieel verwarmd tot een lage "loze" temperatuur ( 400 graden 25 C), waarbij de substraat 41 en de omgeving tot een thermisch evenwicht kunnen komen- Er treedt een reiniging op wanneer de temperatuur snel boven 900°C wordt verhoogd, bij welk punt een dunne siliciumdioxydelaag . wordt gedesorbeerd. De siliciumdioxydelaag was op het oppervlak van de groeisubstraat 41 gegroeid voordat deze substraat in de te evacueren 30 groeikamer werd gebracht teneinde een barrière tussen het siliciumoppervlak en eventuele verontreinigingsbronnen te vormen. De substraat 41 wordt op deze "schone" temperatuur gehouden gedurende bij benadering 60 tot 120 sec, en wordt dan afgekoeld tot de temperatuur, waarbij de epi-taxiale groei moet plaatsvinden - meer in het bijzonder 600 - 800°C. Er 35 wordt op gewezen, dat de in verband met fig. 3 genoemde tijden en temperaturen bij wijze van voorbeeld zijn genoemd, 8400317 * » 6 _8 —9

Nadat de groeikamer is geëvacueerd tot 10 -10 torr —6 “7 (1,3 x 10 -1,3x10 Pa) wordt de substraatverhitting ingeleid door aan de gloeidraden 24 en 25 een voorafbepaalde stroom toe te voeren teneinde te veroorzaken, dat uit deze gloeidraden thermische energie wordt 5 uitgestraald. Het spectrum van deze thermische energie bezit een eerste stel componenten en varieert als een functie van de temperatuur. Bij lage temperaturen ligt het grootste gedeelte van de energie, die uit de continue tantaalgloeidraden wordt geëmitteerd, in de infrarode gebieden. Silicium is in hoofdzaak transparant voor infrarode straling doch 10 een klein gedeelte van de gloeidraadstraling wordt door elke substraat geabsorbeerd. De substraten emitteren in responsie op de geabsorbeerde straling thermische energie met een stel spectraalcomponenten, die verschillen van het eerste stel.

. Wanneer de gloeidraadtemperatuur wordt verhoogd door 15 de stroom raar de gloeidraden in te stellen, verschuiven de gloeidraad- emissies naar het zichtbare gebied van het spectrum, terwijl de sübstraat-absorptie naar het infrarode gebied verschuift. Dientengevolge is er een drempelgloeidraadstroom voorbij welke stroom de uit silicium bestaande tussensubstraat in hoofdzaak alle thermische energie absorbeert, die uit 20 de gloeidraden wordt uitgestraald. Een heremissie van deze geabsorbeerde energie door de tussensubstraat in een uniform verdeeld patroon verhit de gloeisubstraat.

Nadat de gloeisubstraat op een uniforme wijze tot een temperatuur boven 1000°C..is -verhit, worden verdere gloeidraadtemperatuur-25 toenamen geregeld door de tussensubstraat teneinde verdere toenamen in de gloeisubstraattemperatuur te beletten. De regelfunctie blijkt uit de in fig. 4 aangegeven krommen, in welke figuur de groeisubstraatopper-vlaktetemperatuur is uitgezet als functie van het gloeidraadvermogen.

Zoals aangegeven veroorzaakt de aanwezigheid van de tussensubstraat een 30 regeling van de groeisubstraattemperatuur bij toenemend gloeidraadvermogen, terwijl geen temperatuurregeling optreedt in de afwezigheid van de tussensubstraat. De temperatuur waarbij de regeling optreedt ligt binnen het gebied, dat nodig is om de reinigingsstap uit te voeren (900°C tot 1200°C).

35 Het bovenbeschreven groeisubstraat-verwarmingsstelsel levert epitaxiale lagen met hoge kristallijne kwaliteit en een geringe . . · 8400317 j".

7 defectdlchtheid. Een typerende epitaxiale lij ndislocatiedichtheid is minder dan IQ3/cm2 en wordt in sterke mate bepaald door de dislocatiedicht- heid van de nitgangs-silicium-groeisubstraten. De locale dislocatie- 4 dichtheid is minder dan 10 /cm2.

i 8400317

Claims (7)

1. Inrichting voor het verhitten van een halfgeleider-substraat voor moleculaire bundelepitaxie, gekenmerkt door electrische gloeidraadverhittingsorganen (20 - 25) voor het opwekken van thermische energie en organen (30 - 35) om een halfgeleiderlichaam (40) tussen de 5 verhittingsorganen (20 - 25) en de te verhitten substraat (41) te monteren.

2. Inrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt door een houder (10, 11, 12), welke een omhulsel om de verhittingsorganen vormt, waarbij het halfgeleiderlichaam (40) bij een opening in deze houder is 10 gemonteerd. .

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verhittingsorganen zijn voorzien van eerste en tweede gloeidraden (20, 21), die evenwijdig aan elkaar en op een afstand van elkaar zijn opgesteld.

4. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam uit silicium bestaat.

5. Werkwijze voor het verhitten van een halfgeleidende substraat voor moleculaire bundelepitaxie, met het kenmerk, dat stroom aan een electrische gloeidraad-verhittingsinrichting (20 - 25) wordt 20 toegevoerd voor het opwekken van stralingswarmte, welke tenminste gedeeltelijk door een halfgeleiderlichaam (40) wordt geabsorbeerd, zodat dit lichaam warmte naar de te verhitten substraat (41) uitstraalt.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de stroom wordt toegevoerd aan eerste en tweede gloeidraden (20, 21), 25 die evenwijdig aan elkaar en op een afstand van elkaar zijn opgesteld.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam (40) uit silicium bestaat. 8400317