DE2805247C2

DE2805247C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten

Info

Publication number: DE2805247C2
Application number: DE2805247A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Mobara Chiba Morimoto; Toshinori Prof. Nagaokakyo Takagi
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1977-02-12
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4197814A; JPS5641165B2; DE2805247A1; JPS5399762A

Description

der unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen der Verbindungshalbleiterelemente oder -bestandteile der unterschiedlichen Gitterkonstanten und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten überwunden werden. Durch Ionisierung der Agglome- s rate und die Beschleunigung derselben in Richtung auf das Substrat kann die kinetische Energie der auf das Substrat auftreffenden Verbindungsbestandteile praktisch unabhängig von der kinetischen Energie gemacht werden, die diese Verbindungsbestandteile beim Aus- ι ο tritt aus den Tiegeln haben, und die Ausbeute am Substrat kann erhöht werden. Dies wiederum trägt zu einer wirtschaftlichen Herstellung bei. Außerdem müssen die Tiegel nicht mehr so nah beim Substrat sein wie bei der bekannten Vorrichtung, so daß die Schwierigkeiten der Temperatureinflüsse der Tiegel auf das Substrat überwunden verden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 gekennzeichnet

Durch die separate Anordnung der Ionisationskammern und/oder den separaten Anschluß der Beschleunigungsspannungsquellen können die kinetischen Energien der auf die Oberfläche des Substrats auftreffenden Agglomerate in weiten Grenzen gesteuert werden, um Unregelmäßigkeiten bei der Verdampfung und unterschiedliche Aufdampfgeschwindigkeiten bei verschiedenen Substanzen ausgleichen zu können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben, die eine schematisehe Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Dünnschichten aus Halbleiterverbindungen nach der Erfindung zeigt

Es ist ein Substrathalter 1 vorgesehen, der ein Substrat 2 trägt, auf dem die gewünschte Verbindungshalbleiter-Dünnschicht ausgebildet werden soll, und das aus leitfähigem Material besteht Es sind zwei im wesentlichen geschlossene Tiegel 31,32 vorgesehen, die jeweils eine Injektionsdüse 41 bzw. 42 mit kleinem Durchmesser aufweisen. Die Tiegel 31 und 32 sind mit den aufzudampfenden Schichtmaterialien A und B gefüllt, die die Elemente der Verbindung darstellen, aus denen der herzustellende Verbindungshalbleiter besteht. An den Tiegeln 31 und 32 sind Heizelemente 51 bzw. 52 vorgesehen, die in den Wänden der Tiegel angeordnet sind, so daß die Tiegel durch Widerstandsheizung beheizt wurden können. A"¹ den Außenflächen der Wände der Tiegel 31 und 32 sind Thermoelemente 61 bzw. 62 angeordnet, so daß die Temperaturen der Tiegel gemessen werden können.

In der Nähe der Injek'ionsdüsen 41 und 42 der Tiegel 31 und 32 sind Ionisationskammern 7 und 8 vorgesehen. In den Ionisationskammern 7 und 8 sind Glühdrähte 71 und 81 zum Emittieren von Elektronen, Beschieunigungseleketroden 72 und 82 zur Beschleunigung der von den Glühdrähten 71 bzw. 81 abgegebenen Thermionen und Abschirmplatten 73 und 83 vorgesehen, um eine unerwünschte Streuung der Elektronen zu verhindern. Es sind Beschleunigungsspannungsquellen 11 und 12 vorgesehen, um den Substrathalter 1 gegenüber den Ionisationskammern 7 und 8 durch die variablen Ausgänge der Besehleunigungsspannungsquellen auf einem hohen negativen Potential zu halten, so daß den positiv ionisierten Teilchen eine kinetische Energie erteilt wird, durch die sie in Richtung auf das Substrat 2 bewegt werden.

Die Stromversorgung der Glühdrähte 71 und 81 wird von Heizstromquellen i3 und 14 geliefert, so daß die Glühdrähte Elektronen emittieren können. Mit den Beschleunigungselektroden 72 und 82 sind Ionisationsstromquellen 15 bzw. 16 verbunden, um die Beschleunigungselektroden auf einem hohen positiven Potential gegenüber den Glühdrähten 71 und 81 zu halten, so daß die von den Glühdrähten 71 und 81 emittierten Elektronen beschleunigt werden und Teilchen in den Ionisiationskammern 7 bzw. 8 ionisieren. Heizstromquellen 17 und 18 sind vorgesehen, um die Heizelemente 51 und 52 der Tiegel 31 bzw. 32 mit Strom zu versorgen. Die Heizstromquellen 17 und 18 sind so ausgeführt, daß ihre Ausgangsleistung von außen variiert werden kann. Zur Steuerung der Temperaturen der Tiegel 31 und 32 in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Thermoelemente 61 und 62 sind Temperatursteuereinrichtungen 19 und 20 vorgesehen. Die Temperaturen der Tiegel 31 und 32, die von den Thermoelementen 61 bzw. 62 gemessen werden, werden mit den in den Temperatursteuereinrichtungen 19 bzw. 20 eingestellten Temperaturen verglichen, und die Ausgangsleistungen der Heizstromquellen 17 und 18 werden in Abhängigkeit von den gemessenen Abweichungen gesteuert um die Temperaturen der Tiegel 31 bzw. 32 zu steuern. Auf diest Weise werden die Dampfdrucke in den Tiegeln 31 und 32 auf den jeweiligen So"werten gehalten.

AlL oben beschriebenen Teile mit Ausnahme der Beschleunigungsspannungsquellen 11, 12, der Heizstromquellen 13,14, der lonisationsstromquellen 15,16, der Heizstromquellen 17,18 und den Temperatursteuerschaltungen 19,20 sind in einem Vakuumbehälter (nicht dargestellt) enthalten. Der Vakuumbehälter wird durch ein Vakuumsystem (nicht gezeigt) evakuiert, um die darin enthaltenen Teile unter einem Druck von 1,3-ΙΟ-⁵ Bar oder weniger, vorzugsweise 10"'Bar oder weniger, zu erhalten.

Die in der oben beschriebenen Weise aufgebaute Vorrichtung wird wie folgt betrieben. Zunächst werden die Tiegel 31 und 32 mit den zu verdampfenden Schichtmateriaüen A und B gefüllt, die die Bestandteile des gewünschten Verbindungshalbleiters bilden. Die Tiegel 31 und 32 können mit den Bestandteilen der Verbindungen in Form von Elementen oder in Form von Verbindungen beschickt werden. Wenn ein Ill-V-Verbindungshalbleiter hergestellt werden soll, kann der Tiegel 31 z. B. mit Gallium (Ga) oder Indium (In) gefülh werden, während z. B. der Tiegel 32 mit Arsen (As) oder Phosphor (P) beschickt wird.

Nach der Beschickung der Tiegel werden die Heizelemente 51 und 52 der Tiegel 31 und 32 durch die Heizstromquellen 17 bzw. 18 erregt, so daß die Tiegel 31 und 32 aufgeheizt werden, wodurch Dämpfe Am und 5/nder Schichtmaterialien A bzw. ßerzeugt werden.

Gleichzeitig steuern die Temperatursteuereinrichtungen 1& und 20 die Ausgangsleistungen der Heizstromquellen 17 und 18, um die Temperatur der Tiegel 31 bzw. 32 so zu regeln, daß die Drücke der Dämpfe Am und Bm in den Tiegeln 31 und 32 wenigstens das 10Ofache der Drücke außerhalb der Tiegel 31 bzw. 32 betragen.

Während die penannte Druckdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite der Tiegel 31 und 32 aufrechterhalten wird, werden die Temperaturen der Tiegel 31 und 32 getrennt voneinander ZUsäztlich so gesteuert, daß die Drücke der Dämpfe Am und Bm der stöchiometrischen Zusammensetzung des herzustellenden Verbindungshdbleiters entsprechen.

Die Dämpfe Am und Bm in den Tiegeln 31 und 32 werden dann in einen Vakuumbereich mit einem Druck

von Vioo oder weniger der Drücke innerhalb der Tiegel 31 und 32 durch die Injektionsdüsen 41 b:zw. 42 ausgesprüht. In diesem Fall werden die Tiegel 31 und 32 von den Temperatursteuereinrichtungen 19 bzw. 20 separat so gesteuert, daß die Solltemperaturen der Tiegel aufrechterhalten werden. Daher kann das thermische Gleichgewicht in den Tiegeln 31 und 32 selbst dann aufrechterhalten werden, wenn die Elämpfe Am und Bm aus den Tiegeln abgesprüht werden.

Die Dämpfe Am und Bm, die auf diese Weise sius den Tiegeln 31 und 32 abgesprüht Werden, werden durch die adiabatische Expansion unterkühlt, wenn sie aus den injektionsdüsen austreten. Daher werden üie zu Atomgruppen, die jeweils aus etwa 100 bis 2000 A tomen bestehen, die durch Van-dei'-Waals-Anziehungskräfte lose miteinander verbunden sind, kondensiert, und es werden sog. Agglomerate /icbzw. ßcgebildet.

Durch die kinetische Energie, die die Dämpfe Am und Bm beim Aussprühen aus den Tiegeln haben, treten die Agglomerate Ac und Bc in die Ionisationskammern 7 bzw. 8 ein, wo sie durch die von den Glühdrähten 71 oder 81 abgegebenen Elektronen zu ionisierten Agglomeraten Ai und Bi gemacht werden. Die Beschleunigungsspannungsquellen 11 und 12 erteilen den ionisierten Agglomeraten Ai bzw. Bi eine zusätzliche kinetische Energie in Richtung auf das Substrat 2. So treffen die ionisierten Agglomerate Ai lind Bi zusammen mit den neutralen Agglomeraten Ac und Bc auf das Substrat 2 auf und bilden eine Verbindungshalbleiter-Dünnschicht 21 mit hoher Kristallqualität.

In diesem Fall wird die kinetische Energie der ionisierten Agglomerate Ai und Bi und der neutralen Agglomerate Ac und Bc, die auf das Substrat 2 auftreffen, in Energie zum Absputtern der Oberfläche des Substrats 2, in Wärmeenergie, in Ionenimplantationsenergie usw. umgesetzt. Ferner zeigen die Agglomerale einen speziellen Oberflächenwanderungseffekt.

Auf diese Weise Wird eine Dünnschicht 21 mit hoher Kristallqualität und hoher Haftung an dem Substrat 2 und Bindung zwischen den Atomen der Schicht erzielt.

Die ionisierten Agglomerate Aiund Bi werden durch die Bcschleunigungsspannungsquellen 11 bzw. 12 separat beschleunigt. Die kinetischen Energien, die den ionisierten Agglomeraten Ai und Bi dadurch erteilt werden, werden daher separat und optimal dadurch gesteuert, daß die Ausgangsspannungen der Beschleunigungsspannungsquellen 11 bzw. 12 entsprechend eingestellt werden.

Durch Steuerung der kinetischen Energie der ionisierten Agglomerate Ai und fl/und der Drucke der Dämpfe in den Tiegeln 31 und 32 kann die Zusammensetzung der hergestellten vcfuinuüngsiiäruleiler-Dünnschicht 21 in guter Näherung gleich der stöchiometrischen Zusammensetzung gemacht werden.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei Tiegel vorgesehen, um eine Dünnschicht aus einer Halbleiterverbindung bestehend aus zwei Verbindungsbestandteilen zu erzeugen. Die Zahl der Tiegel kann jedoch je nach der Zahl der Verbindungsbestandleile variiert werdeVs, Wenn der Verbindungshalbleiter gleichzeitig

3ö mit Verunreinigungen dotiert werden soll, kann ein Tiegel zum Verdampfen der Dotierungssubstanz vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten aus wenigstens zwei Elementen auf einem Substrat, die

(a) in einem Vakuumbehälter eine Vielzahl geschlossener Tiegel (31, 32) aufweist, die die zu verdampfenden Schichtmaterialien mit den Verbindungselementen des Verbindungshalbleiters enthalten und deren Injektionsdüsen (41, 42) dem Substrat (2) gegenüberliegen, und die

b) ferner eine Vielzahl von Temperatursteuereinrichtungen (19,20) aufweist, um die Dampfdrükke in den Tiegeln (31,32) separat zu steuern,

dadurch gekennzeichnet,daß

c) eine Vielzahl von Ionisationskammern (7, 8) in dem Vakuumbehälter in der Nähe der Injektionsdüsen (41, 42) der Tiegel (31, 32) angeordnet sind, um die sich in den aus den Tiegeln austretenden Dampfstrahlen bildenden Agglomerate zu ionisieren, und daß

d) Beschleunigungsspannungsquellen (11,12) zwischen dem Substrat (2) und den Ionisationskammern (7, 8) angeschlossen sind, um den ionisierten Agglomeraten eine kinetische Energie derart zu erteilen, daß die ionisierten Agglomerate auf der Oberfläche des Substrates (2) aufschlagen.

2. Vorrichtung nac¹-. Ansp. /ch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammern (7, 8) separat angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannungsquellen (11,12) separat angeschlossen sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten aus wenigstens zwei Elementen auf einem Substrat gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 37 51 310 bekannt. In dieser Vorrichtung werden die Verbindungsbestandteile des Verbindungshalbleiters aus separaten Tiegeln verdampft und in einen Vakuumbereich mit einem Druck von etwa 10~⁹ bis 10-" Bar eingesprüht. Dadurch werden molekulare Strahlen aus den Verdampfungssubstanzen gebildet, Und die Verbindungsbestandteile treffen im wesentlichen mit der kinetischen Energie auf dem Substrat auf, welche ihnen beim Austreten aus den Tiegeln erteilt wurde. Mit dieser Vorrichtung kann man die Schwierigkeiten, die beim Aufdampfen von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten in epitaktischem Wachstum auftreten, nicht vollständig beherrschen. Diese Schwierigkeiten rühren bekanntlich daher, daß die Verbindungsbe· standteile sehr unterschiedliche Verdampfungstempera' türen haben, daß die Gitterkonstanten des Substrates und des Verbindungshalbleiters näherungsweise über·¹ einstimmen müssen, und daß schließlich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und des Ver* bindungshalbleiters aufeinander abgestimmt sein müssen, insbesondere dann, wenn beim Aufdampfen große Temperaturschwankungen auftreten. Bei der bekannten Vorrichtung müssen die Tiegel verhältnismäßig nahe bei dem Substrat angeordnet sein, damit die Verbindungsbestandteile noch mit einer genügenden Ausbeute an dem Substrat ankommen. Andererseits wird durch die Nähe der Tiegel die Temperatur des Substrats unerwünscht aufgeheizt, so daß es schwierig ist, die Verbindungsbestandteile auf dem Substrat abzuscheiden, die einen niedrigen Verdampfungspunkt haben, da diese Substanzen durch das Aufheizen des Substrats wieder von diesem abdampfen. Wegen dieser Umstände ist auch bei der bekannten Vorrichtung ein Kühlschild vorgesehen, um das Substrat gegen ein unerwünschtes Aufheizen zu schützen. Die bekannte Vorrichtung ist daher nicht geeignet, die Verbindungshalbleiter, insbesondere Ill-V-Verbindungshalbleiter, in industriellem Maßstab herzustellen. Es können auch nur die teueren Substrate aus III-V-Halbleiterverbindungen benutzt werden, da diese Vorrichtung bei Verwendung von billigeren Substraten der Gruppe IV keine befriedigenden Ergebnisse bringt

Aus der DE-OS 26 31 880 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit Schottky-Sperrschicht zu entnehmen, bei dem zum Aufdampfen der Halbleiter-Dünnschicht das sogenannte Agglomerat-Aufdampfverfahren angewendet wird. Bei diesem Agglornerat-Aufdsaipfverfahren wird ein aus dem aufzudampfenden Material bestehender Dampfstrahl aus dem Tiegel durch eine Injektionsdüse in einen Vakuumbereich eingesprüht, in dem ein Druck von 'Λ«) oder weniger des Druckes der Dämpfe, beispielsweise 10"⁵ Bar, herrscht. Dabei wird der Dampf in sogenannte Agglomerate umgewandelt, die aus einer Ansammlung von etwa 100 bis 2000 Atomen bestehen, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Diese Agglomerate lassen sich in ionisierte Agglomerate umwandeln, wenn eines der Atome beispielsweise durch Elektronenbeschuß ionisiert wird. Abgesehen von der Anwendung des Agglomerat-Aufdampfverfahrens betrifft die DE-OS 26 31 biO das Aufdampfen von Halbleiterelementen auf einer Metallschicht und nicht das Aufdampfen von Verbindungshalbleitern auf einem Substrat, beispielsweise aus einem Halbleiterelement

^Λ5 der Gruppe IV. Daher ist aus dieser Druckschrift kein Hinweis zu entnehmen, wie die Schwierigkeiten beim Aufdampfen von Verbindungshalbleitern überwunden werden können.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten aus wenigstens zv/ei Elementen auf einem Substrat anzugeben, durch die eine epitaktische Schicht hoher Kristallqualität in industriellem Maßstab hergestellt werden können.

Insbesondere sollen Ill-V-Verbindungshalbleiterschichtein auf einem Substrat aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV aufgedampft werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Dünnschichten aus wenigstens zwei Elementen auf einem Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruches I durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelösL Mit der erfindungsgernäßen Vorrichtung ist es möglich, IH-V' Verbindungshalbleiter auf einem Substrat aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV mit ausgezeichneter Kristallqualität in der Verbindungshalbleiterschicht und guter Haftung der Verbindungshalbleiterschicht auf dem Substrat herzustellen, wobei die Schwierigkeiten