DE2111946C3 - Verfahren und Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsenlassen eines Kristalls auf einer Unterlage - Google Patents

Description

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sera Verfahren wird jedoch die Schmelze getrennt isothermen Bedingungen in horizontaler Richtung

von der Unterlage auf die gleiche Temperatur er- erzeugt wird, wobei die Unterlage auf der niedrigsten

wärmt und dann wird der die Schmelze aufnehmende Temperatur gehalten wird.

Tiegel und der Ofen um 90° verschwenkt, so daß Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung die Schmelze und das Substrat miteinander in Be- 5 eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der rührung kommen. Wie erwähnt, haben die meisten Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt
Verunreinigungen eine geringere Dichte als die der F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer senküblicherweise verwendeten Schmelze, so daß Ver- recht angeordneten Vorrichtung zur Züchtung von unreinigungsteilchen auf der Oberfläche der Schmelze Kristallen aus einer schmekflüssigen Lösung,
schwimmer.. Daher soll das Substrat nach Möglich- io F i g. 2 eine Schnittansicht des Züchtungsbehälters keit nicht mit der Oberfläche der Schmelze in Be- der Vorrichtung nach F i g. I nach der Beschickung rührung gebracht werden, ohne daß nicht wenigstens mit der Unterlage und der Schmelze,
diese Verunreinigungen abgeschöpft sind. Bei dem F i g. 3 eine Schnittansicht des beschickten Bevorgeschlagenen Verfahren erfolgt jedoch eine Be- hälters innerhalb der Vorrichtung und
rührung der Unterlagen mit der Oberfläche der 15 F i g. 4 eine Schnittansicht der Vorrichtung wäh-Schmelzflüssigkeit, wodurch die erwähnte Gefahr der rend des Kristallwachstums.
Verunreinigung der Unterlage besteht. Die Vorrichtung nach F i g. 1 weist ein Schiffchen

Gemäß einem anderen älteren Vorschlag (deut- oder einen Behälter 61 auf, der aus einem inerten sehe Offenlegungsschrift 2000096) kann die Schmel- Material, z.B. hochreinem Graphit, Aluminium, ze vor dem Kristallwachstum von der Unterlage durch 20 Quarz, Bornitrid oder keramischen Material hergeeinen Stempel getrennt gehalten werden, wobei das stellt sein kann. Das Schiffchen kann mit einer (nicht Kristallwachstum eingeleitet wird, indem der Stern- gezeigten) Auskleidung aus hochreinem Graphit pel von der Oberseite der Unterlage entfernt wird. versehen sein. Der Behälter 61 kann neben recht-Dabei kommt die Unterlage dann nicht mit der Ober- eckigem Querschnitt auch zylindrischen oder rohrseite der Schmelze in Berührung, so daß die Schwie- as förmigen Querschnitt aufweisen,
rigkeiten durch auf der Schmelze schwimmende Ver- Der Behälter 61 weist eine rechteckige Ausnehunreinigungen nicht auftreten. Jedoch wird die Unter- mung 62 in seinem Bodenteil 63 auf, die zur Auflage selbst nach dem älteren Vorschlag nicht bedeckt nähme einer eng an den Seitenwänden 66 der Ausgehalten, so daß aus der Unterlage in unerwünschter nehmung anliegenden Unterlage 64 bestimmt ist. Weise die flüchtigeren Komponenten abdampfen 30 Der Behälter 61 ist mit einem Deckel 67 abgedeckt, können, was zu einer chemischen Veränderung der der aus den oben erwähnten inerten Materialien her-Unterlage in ihrem oberflächennahen Bereich führt. gestellt ist und einen gleichmäßigen Wärmeübergang

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe vom Behälter 61 her sicherstellt,

zugrunde, die Züchtung von Kristallen auf einer Un- Eine aus den erwähnten inerten Materialien herge-

terlage unter Vermeidung oder weitgehender Ver- 35 stellte Schubstange 68 tritt gleitend verschiebbar

ringerung der vorstehend geschilderten Schwierig- durch eine Öffnung 69 im Deckel 67. An einem En-

keiten zu ermöglichen. de 71 der Schubstange 68 ist eine Abdeckplatte 72

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs angebracht, die ebenfalls .aus einem der erwähnten

geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsge- Materialien hergestellt sein kann. Die Abdeckplatte

maß dadurch gelöst, daß die Unterlage während der 40 72 sollte vorzugsweise aus demselben Material wie

Herstellung des thermischen Gleichgewichts bedeckt die Unterlage, z. B. aus GaP. hergestellt sein, um

gehalten wird und daß, nachdem schmelzflüssige Lö- eine Oberflächenverschlechterung der Unterlage

sung und Unterlage in Kontakt gebracht worden durch Austreten von leichtflüchtigen Elementen aus

sind, die Unterlage gegenüber der schmelzflüssigen dieser zu vermindern und um sicherzustellen, daß

Lösung zur Erzeugung eines Temperaturgradienten 45 die Schmelze gesättigt ist. Die Tiefe der Ausnehmung

abgekühlt wird. 62 ist gleich der Dicke der Unterlage 64, so daß die

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Oberseite 73 der Unterlage 64 weitgehend eben mit Vorrichtung mit einem Behälter für die schmelz- der Oberseite des Bodenteils 63 ist, wenn die Unterflüssige Lösung, auf dessen Boden sich die Unterlage lage 64 in den Behälter 61 eingesetzt ist. Wenn die befindet, und mit einer am Behälter oberhalb der 50 Abdeckplatte 72 die Unterlage 64 (F i g. 2) abdeckt, Unterlage bewegbar angeordneten Abschirmung für ist deshalb der die Unterlage 64 umgebende freie die Unterlage gegen die schmelzfiüssige Lösung er- Raum 76 möglichst klein gehalten. Dadurch wird der findungsgemäß so weitergebildet, daß der Behälter- Elementenverlust durch Verflüchtigung aus der Unboden eine Ausnehmung zur Aufnahme der Unter- terlage vermindert. Der noch vorhandene freie Raum lage aufweist, daß die Abschirmung als die Ausneh- 55 sollte im Idealfall so bemessen sein, daß der Verlust mung abdeckende stempelartig hochziehbare Abdeck- durch Verflüchtigung auf eine monomolekulare platte ausgebildet ist, und daß der Behälterboden auf Schicht der Oberfläche der Unterlage beschränkt ist. einem der Herstellung des Temperaturgradienten die- Der freie Raum ist deshalb abhängig von der vernenden Wärmetauscher angeordnet ist. wendeten Unterlage und den auftretenden Dampf-

Die Züchtung von gleichmäßigen Kristallen wird 60 drücken.

also erfindungsgemüß dadurch verbessert, daß erstens Der Behälter 61 ist in einem senkrecht angeordder die Unterlage umgebende freie Raum auf einer neten Ofen 74 angeordnet und in diesem von einer minimalen Größe gehalten wird, zweitens die Unter- Tragkonsole 78 gehaltert. Im Ofen 74 ist, wie aus lage vor Einleitung des Aufwachsvorgangs physika- Fig. 1 und 3 hervorgeht, eine von einem Wärmelisch von der Schmelze getrennt gehalten wird, drit- 6s tauscher 79 gebildete Kühlquelle vorgesehen, in tens eine Berührung der Schmelze und der Unterlage welche Gas niedriger Temperatur über einen Einlaß an der Flüssigkeits-Gas-Zwischenfläche verhindert 81 eingeführt, durch den Wärmetauscher 79 hindurch wird und vier' iis ein senkrechter Wärmegraciient mit und aus dem Auslaß 82 wieder herausgeführt "wird.

Es können auch andere Kühlquellen und eine Der Behälter 61 wird dann auf eine zweite Tem-

Vielzahl von Unterlagen verwendet werden. Diese peratur im Bereich von 1050 bis 1060° C erhitzt, würden in eine Vielzahl von Ausnehmungen einge- so daß sich eine mit p-leitendem GaP gesättigte setzt werden, von denen jede in einem Einzelbehälter Gallium-Schmelze 83 bildet, die mit Zink und Sauerliegt und entweder mit einer großen Abdeckplatte 5 stoff dotiert ist. Sobald sich zwischen der Unterlage oder einer Vielzahl von Abdeckplatten abgedeckt ist. 64 und der Schmelze 83 ein thermisches Gleichge-

Eine im Standard-Ziehverfahren mit flüssiger wicht eingestellt hat, wird die Abdeckplatte 72 durch Schutzumhüllung hergestellte p-leitende GaP-Unter- Anheben der Schubstange 68 angehoben, wie in lage wird geschnitten, geläppt und gereinigt. Diese F i g. 4 gezeigt ist, was eine Bedeckung der Unterlage Unterlage 64 wird dann gemäß F i g. 1 in den Be- io 64 mit der gesättigten Schmelze 83 zur Folge hat. Da hälter 61 aus hochreinem Graphit in der Ausneh- überall gleiche Temperaturen herrschen, tritt zu diemung62 eingesetzt, wobei im Behälter eine inerte, sem Zeitpunkt weder eine Abscheidung auf der z.B. Stickstoff-Atmosphäre vorhanden ist, und mit Unterlage noch eine Zersetzung der Unterlage auf. der Abdeckplatte 72 abgedeckt, die aus GaP herge- Außerdem wird eine Oberflächenverunreinigung der stellt und an der ebenfalls aus hochreinem Graphit 15 Unterlage vermieden, weil diese nicht mit der Oberbestehenden Schubstange 68 befestigt ist. fläche der Schmelze in Berührung kommt.

Ein Gemisch 75 (F i g. 2) aus Gallium, GaP, Durch den Einlaß 81 wird dann Kühlgas in und

Ga₂O₃ und Zn wird dann hergestellt, indem zunächst durch den Wärmetauscher 79 und dann aus dem hochreines Gallium, Zn und Ga₂O₃ gemischt werden Auslaß 82 herausgeführt. Hierdurch wird eine Ab- und GaP hoben spezifischen Widerstands hinzuge- »o Senkung der Temperatur der Tragkonsole 78, des fügt wird. Das Gemisch wird dann oberhalb der Ab- Bodenteils 63 und der im Behälter 61 eingesetzten deckplatte 72 in den Behälter 61 eingefüllt. Die Men- Unterlage 64 verursacht. Entlang der senkrechten ge des verwendeten GaP ist so gewählt, daß sich beim Achse des Behälters 61, des Bodenteils 63 und der Aufschmelzen eine gesättigte schmelzflüssige Gallium- Unterlage 64 wird ein Temperaturgradient eingestellt, Lösung bilden kann. Eine typische Mischung liegt »5 wobei de^r Bodenteil 63 und die Unterlage 64 die im Bereich von 0,2 bis 12 Molprozent GaP, wenn niedrigste Temperatur haben. Auf diese Weise wird auf 800 bis 1200° C erhitzt würde. das Kristallwachstum durch Kühlung der gesättigten

Nachdem das Gemisch 75 in den Behälter einge- Schmelze 83 ausgelöst.

füllt ist, wird der Deckel 67 aus hochreinem Graphit Der Wachstumsprozeß wird durch Absenken der

auf dem Behälter 61 aufgesetzt. Der Behälter 61 wird 30 Abdeckplatte 72 über die Unterlage 64 beendet, dann, wie aus F i g. 3 hervorgeht, auf die Tragkon- Alternativ kann der Ofen 74 gekippt werden, wosole78 im senkrecht angeordneten Ofen 74 gestellt. durch die Schmelze 83 von der Unterlage 64 abge-Wärmeisolierendes Material 84 wird um die Trag- kippt wird. Im typischen Fall steht die GaP-Unterlage konsole 78 herumgepackt, wodurch ein isothermer 64 mit der Schmelze 83 von 4 bis zu 50 Minuten in Mittelabschnitt geschaffen wird, welchem sich der 35 Berührung, wobei eine gewachsene Kristallschicht Behälter 61 angleicht. von 0,0127 mm bis 0,0762 mm Dicke erhalten wird.

Der Ofen 74 wird mit Stickstoff gefüllt, welches Die Schicht besteht aus epitaktisch aufgewachsenem dem System durch geeignete (nicht gezeigte) Einlasse p-leitendem GaP auf einer Unterlage aus p-leitendem und Auslässe zugeführt wird. Im Anschluß an die GaP. Das Verfahren kann aber auch bei nichtFüllung mit Stickstoff wird ein Wasserstoffstrom in 40 epitaktischer Kristallzüchtung und bei der Kristallden Ofen 74 geleitet und der Behälter 61 wird auf Züchtung von nicht-halbleitenden Materialien Vereine erste Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts Wendung finden. Die verwendeten Halbleitermateriavon Gallium erhitzt, was die Bildung einer Schmelze lien können entweder elementar vorliegen oder vom 83 zur Folge hat Der die Unterlage 64 umgebende Typ der Verbindungshalbleiter sein. Außerdem kann freie Raum 76 ist etwa 0,01 nun* oder weniger groß, 45 das beschriebene Verfahren bei vielen Kombinatioum den Verlust durch Verflüchtigung auf etwa eine nen von Unterlagen und Schmelze angewandt wermonomolekulare Schicht der Oberfläche der GaP- den, wobei homogene Übergänge und Hetero-Üb r-Unterlage 64 zu beschränken. gänge gebildet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 gebildet wird, indem die Unterlage gegen die schmelz- Patentanspriiche: flüssige Lösung abgeschirmt wird, das thermische Gleichgewicht zwischen schmelzflüssiger Lösung und

1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen- Unterlage hergestellt wird, sodann schraelzflüssige lassen eines Kristalls auf eine Unterlage, bei dem 5 Lösung und Unterlage derart in gegenseitigen Koneine mit dem auf der Unterlage abzuscheidenden takt gebracht werden, daß sich die schmelzflüssige Kristallmaterial gesättigte schmelzflüssige Lösung Lösung oberhalb der Unterlage befindet, wonach zur außer Kontakt mit der Unterlage gebildet wird, Einleitung des Kristallwachsrums die Temperatur abindem die Unterlage gegen die schmelzflüssige gesenkt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh-Lösung abgeschirmt wird, das thermische Gleich- io rung des Verfahrens.

gewicht zwischen schmelzflüssiger Lösung und Die Qualität von auf Unterlagen gezüchteten

Unterlage hergestellt wird, sodann schmelzflüssige Kristallen, insbesondere bei epitaktischer Kristall-Lösung und Unterlage derart in gegenseitigen Kon- Züchtung, wurde sowohl durch die Qualität des Untertakt gebracht werden, daß sich die schmelzflüssige lagenmaterials als auch durch die in einer Schmelze Lösung oberhalb der Unterlage befindet, wonach 15 auftretenden Temperaturgradienten nachteilig beeinzur Einleitung des Kristallwachstums die Tem- fiußt. Eine Oberflächenverschlechterung der Unterlage peratur abgesenkt wird, dadurch gekenn- tritt oftmals dann auf, wenn die Unterlage an der zeichnet, daß die Unterlage während der Her- Oberfläche der Schmelze anliegt, wobei sich die Verstellung des thermischen Gleichgewichts bedeckt schlechterung im wesentlichen auf die folgenden drei gehalten wird, und daß, nachdem schmelzflüssige 20 Arten bemerkbar macht:

Lösung und Unterlage in Kontakt gebracht wor- ...

den sind, die Unterlage gegenüber der schmelz- ^{L In emer} Zersetzung der Unterlag, die bei erhohflüssigen Lösung zur Erzeugung eines Tempera- ^ter Temperaturen von einer Verflüchtigung eines

turgradienten abgekühlt wird. Elements gefolgt ist;

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- 35 2. einem Übergang von leichtflüchtigen Bestandrens nach Anspruch 1, mit einem Behälter für teilen aus der Schmelze in die Unterlage; und
schrnelzflüssige Lösung, auf dessen Boden sich 3 _{einem üb von} Fremdstoffteilchen aus der

κ uⁿ\lT ^f' ™ί Γ" ^am f Schmelze auf die Oberfläche der Unterlage,

oberhalb der Unterlage bewegbar angeordneten

Abschirmung für die Unterlage gegen die schmelz- 30 Wenn der die Unterlage umgebende freie Raum

flüssige Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzt wird, um die Unterlage physikalisch von

Behälterboden (63) eine Ausnehmung (62) zur der Schmelze zu trennen, dann werden die beiden

Aufnahme der Unterlage (64) aufweist, daß die zuerst erwähnten Ursachen für die Oberflächenver-

Abschirmung als die Ausnehmung (62) abdecken- schlechterung weitgehend ausgeschaltet. Da Jedoch

de stempelartig hochziehbare Abdeckplatte (72) 35 die meisten Verunreinigungen eine geringere Dichte

ausgebildet ist, und daß der Behälterboden auf als die üblicherweise bei der Kristallzüchtung aus der

einem der Herstellung des Temperaturgradienten Flüs^igphase verwendeten Schmelzen haben, schwim-

dienenden Wärmetauscher (79) angeordnet ist. men kleine Teilchen der Verunreinigung üblicher-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- weise auf der Oberseite der Schmelze, welche die kennzeichnet, daß die Abdeckplatte (72) aus dem 40 Unterlage verunreinigen können.

gleichen Material wie die Unterlage (64) herge- Zusätzlich zu diesen Schwierigkeiten treten wäh-

stellt ist. rend des Kristallwachstums Konvektionsstörungen

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da- in der Schmelze auf, die erstens zu einer unregeldurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (62) mäßigen Dicke der Kristallschicht, zweitens zu einem so bemessen ist, daß die Unterlage (64) den grö- 45 veränderlichen Dotierstoffkonzentrationsprofil über fieren Teil des von der Ausnehmung (62) und der der gezüchteten Schicht und drittens zu einer beauf der Ausnehmung aufgesetzten Abdeckplatte schädigten Zwischenfläche zwischen der Unterlage (72) umschlossenen Raums ausfüllt. und der niedergeschlagenen Schicht führen können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- Wenn die Kühlung der Oberseite der Schmelze bekennzeichnet, daß von dem von der Ausnehmung 5° ginnt, oder wenn die Kristallausscheidung von der (62) und der Abdeckplatte (72) umschlossenen Oberseite der Schmelze ausgeht, dann bewirkt die Raum nicht mehr als 0,01 mm³ nicht durch die Schwerkraft ein Absinken der schwereren Lösung Unterlage (64) ausgefüllt ist. und bildet Konvektionszellen. Zur Vermeidung oder

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 Verminderung der Konvektion muß ein senkrechter bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme- 55 Temperaturgradient mit abfallender Temperatur in tauscher (79) mit gasförmigem Stickstoff gekühlt Richtung auf den untersten Teil des Systems gewerden kann. schaffen werden. Um eine gleichmäßige Dicke der

gezüchteten Schicht zu erhalten, ist es jedoch erwünscht, daß mit der Vorrichtung ein horizontaler

. 60 Temperaturgradient von Null erreicht wird.

Nach einem älteren Verfahren (deutsche Offenlegungsschrift 1 936 443) wurde bereits vorgeschlagen, homogen dotierte Aufwachsschichten mit ein-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum epitakti- heitlichen Schichtdicken, das heißt unter konstanten sehen Aufwachsenlassen eines Kristalls auf einer Un- 65 Temperaturverhältnissen, herzustellen. Bei diesem terlage, bei dem eine' mit dem auf der Unterlage ab- Verfahren wird mittels eines Kühlfingers ein Temzuscheidenden Kristallmaterial gesättigte schmelz- peraturgradient erzeugt, der praktisch nur in axialer flüssige Lösung außer Kontakt mit der Unterlage und nicht in radialer Richtung wirksam ist. Bei die-