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Dokumentenidentifikation DE19536253A1 04.04.1996
Titel Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kadoiwa, Kaoru, Itami, Hyogo, JP;
Sonoda, Takuji, Itami, Hyogo, JP
Vertreter Kuhnen, Wacker & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 28.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536253
Offenlegungstag 04.04.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.04.1996
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C30B 35/00   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen enthält ein Substrataufheizteil, eine Aufwachskammer, eine Molekularstrahlquelle, eine Düse, welche eine gasförmige Kristallaufwachssubstanz auswirft, ein Auslaßrohr und eine Vakuumkammer. Da ein Absperrschieber zwischen einer Vakuumkammer und einer Aufwachskammer geöffnet ist, werden die Vakuumkammer und die Aufwachskammer in einen Zustand gebracht, in welchem sie miteinander in Verbindung stehen, und das Gas wird von der Aufwachskammer ausgelassen, der Druck in der Aufwachskammer wird rasch reduziert, und der Übergang von einem Niedrigvakuumzustand in einen Hochvakuumzustand wird rasch durchgeführt. Daher ist eine Einkristallaufwachsvorrichtung bezüglich eines entsprechenden Aufwachsmodus geeignet, d. h. der Modus wird frei gewählt bezüglich der entsprechenden Dicke und der Steuerbarkeit der Ladungsträgerkonzentration, des Erfordernisses der Selektivität und des Unterdrückens der Dotierungskonzentration in dem Kristall, bezüglich des epitaxialen Aufwachsens für eine optische Vorrichtung und eine Mikrowellenvorrichtung, wobei die Qualität der Vorrichtung erhöht und die Kosten reduziert werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen und insbesondere auf eine Vorrichtung, welche bei der Herstellung eines Verbindungshalbleiterkristalls verwendet wird, der hauptsächlich als Substanz eines Halbleiterlasers oder einer Superhochfrequenzvorrichtung eingesetzt wird, und bei welcher der Aufwachsmodus verändert werden kann.

Zuerst wird eine Beschreibung eines Kristallaufwachsverfahrens bezüglich eines Verbindungshalbleiters nach dem Stand der Technik gegeben. Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm, welches eine Vorrichtung zur Durchführung einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) nach dem Stand der Technik veranschaulicht, welche in dem Journal of Crystal Growth 95 (1989), Seiten 121 bis 131, aufgeführt ist. Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm, welches eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Strahlepitaxie (CBE) nach dem Stand der Technik veranschaulicht. Entsprechend Fig. 7 bezeichnet Bezugszeichen 100 eine Aufwachskammer zum Durchführen eines Kristallaufwachsens. Ein Substrataufheizteil 101 ist in der Aufwachskammer 100 angeordnet. Ein Substrat 102 aus beispielsweise GaAs ist auf dem Substrataufheizteil 101 angeordnet. Zellen zum Aufnehmen jeweils unterschiedlicher Festkörperstoffe 103a bis 103e (hiernach als Knudsenzellen bezeichnet) sind in der Aufwachskammer 100 angeordnet und zur Ausgabe von Molekülen einer Substanz geeignet. Entsprechend Fig. 8 sind Knudsenzellen 104 zur Aufnahme von AsH&sub3;-Gas oder PH&sub3;-Gas als Gas der Gruppe V und eine Zelle 105 zur Aufnahme von Gas der Gruppe III jeweils an der Aufwachskammer 100 angeordnet.

Im folgenden wird eine Beschreibung einer MBE-Vorrichtung gegeben. In einer MBE-Vorrichtung wird Aufwachsmaterial in der Knudsenzelle 103 erhitzt, wobei in der Aufwachskammer ein Hochvakuum eines Betrags von etwa 10-5 Torr erzeugt ist, wodurch das Substrat 102 mit einem Element der Gruppe III wie Ga oder Al in einem Zustand eines Molekularstrahls bestrahlt wird, woraus sich ein Aufwachsen ergibt. Danach wird jede Zelle genau auf eine bestimmte Temperatur gebracht, so daß ein gewünschtes Zusammensetzungsverhältnis des Kristalls und eine gewünschte Kristallaufwachsgeschwindigkeit erzielt werden. Fig. 9, welche in dem Journal of Crystal Growth 95(1989)263 angeführt wird, zeigt ein schematisches Diagramm, welches den Aufwachsmechanismus in der MBE-Vorrichtung darstellt. Entsprechend Fig. 9 bezeichnet Bezugszeichen 106 Molekularstrahlen der Gruppe III, welche von den in Fig. 7 dargestellten Knudsenzellen 103a und 103e ausgesandt werden. Da der mittlere freie Weg eines Moleküls in einem derartigen Hochvakuum sehr groß ist, erreichen die Molekularstrahlen 106 des Elements der Gruppe III direkt die Oberfläche des Substrats 102 und begeben sich nach einem Bewegen auf der Oberfläche des Substrats in geringem Umfang auf eine Gitterposition, um sich mit einem Element der Gruppe V zu verbinden. Ein Merkmal dieses Aufwachsverfahrens besteht darin, daß, da sich das Atom der Gruppe III mit dem Atom der Gruppe V verbindet, ohne daß chemische Reaktionen wie eine Oxidation oder eine Reduktion in der Nähe des Substrats auftritt, die Steuerbarkeit der Schichtdicke an der Schnittstelle sich erhöht, wodurch eine Dickensteuerbarkeit im Submikrometerbereich erzielt werden kann, sogar wenn die hohe Aufwachsgeschwindigkeit beibehalten wird, woraus sich eine Eignung bzw. Verwendung für eine Bildung bzw. Bearbeitung einer feinen Struktur ergibt. Darüber hinaus kann die MBE-Vorrichtung für eine Massenherstellung von elektronischen Vorrichtungen bzw. Bauteilen verwendet werden, und es wurde berichtet, daß das Kristallaufwachsen einer großen Anzahl von Wafern bei einer hohen Stabilität und niedrigen Kosten erzielt wurde.

Demgegenüber wird bei dem Kristallaufwachsen durch CBE wie in Fig. 8 dargestellt ein organisches Metall (organic metal) als Substanz der Gruppe III bzw. eine metallische Substanz der Gruppe III, welche imstande ist, eine metallorganische Verbindung einzugehen (organic metal), verwendet. Das organische Metall bzw. die metallische Substanz wird in eine Aufwachskammer 100 eingeführt, in welcher ein Vakuum von 10-4 Torr aufrechterhalten wird, es wird in der Gaszelle 105 aufgeheizt und erreicht das Substrat 102, welches durch das Substrataufheizteil 101 aufgeheizt wird in einer Strahlform. Fig. 10, welche in dem Journal of Crystal Growth 95 (1989) 263 aufgeführt wird, zeigt ein schematisches Diagramm, welches einen Zustand in der Nähe des Substrats während des Kristallaufwachsens durch CBE darstellt. Entsprechend Fig. 10 erreicht ein Strahl 107 eines organischen Metalls bzw. einer metallischen Substanz (organic metal) von der Alkylbase begleitet die Substanz 102, was sich von einem Fall unterscheidet, bei welchem die oben beschriebene MBE-Vorrichtung verwendet wird. Die Lösung der Alkylbase wird durch die thermische Energie vom Substrataufheizteil 101 erzeugt. Bei der CBE gibt es bezüglich der Substanz eine große Auswahl. Insbesondere werden Kohlenstoffteilchen zweckbestimmt dotiert, um den Leitfähigkeitstyp zu steuern, es wird die Aufnahme von Sauerstoff unter Verwendung von einer NH&sub2;-Verbindungsserien-Al-Substanz reduziert, oder es wird das selektive Aufwachsen durchgeführt. Auf diese Art gibt es eine große Anzahl von Variationen bezüglich des Aufwachsens.

Des weiteren gibt es bei einem Fall des Kristallaufwachsens unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Aufdampfung (MOCVD) wie in Fig. 11 dargestellt in einem Zustand, bei welchem der Druck in der Aufwachskammer auf 760-10-2 Torr gehalten wird, AsH&sub3; und PH&sub3; als Substanz der Gruppe V und die metallische Substanz (organic metal) der Gruppe III gleichzeitig mit H&sub2; zugeführt, welches als Trägergas dient. Das Substanz- bzw. Materiegas (material gas) (wird als zäher Fluß zugeführt und steht in der Nähe des Substrats still, um eine stillstehende Schicht (Grenzschicht) zu bilden. Fig. 12, welche im Journal of Crystal Growth 95 (1989) 263 aufgeführt wird, zeigt ein schematisches Diagramm, welches einen Zustand in der Nähe des Substrats in dem MOCVD-Modus darstellt. Unterschiedlich zu dem Kristallaufwachsen in dem CBE-Modus, bei welchem das Kristallaufwachsen ebenso unter Verwendung der metallischen Substanz (organic metal) der Gruppe III durchgeführt wird, wird die stillstehende Schicht 109 in der Nähe des Substrats 102 gebildet, und die Alkylbase ist in dieser stillstehenden Schicht 109 nahezu gelöst. Daher wird die Aufwachsgeschwindigkeit weitgehend nicht nur von dem Zufuhrbetrag der metallischen Substanz (organic metal) als Substanz des Elements der Gruppe III sondern ebenso durch die Diffusionsgeschwindigkeit in der stillstehenden Schicht 109 beeinflußt, wodurch die Steuerbarkeit der Schichtdicke geringer wird. Da darüber hinaus das Verhältnis des bei dem Aufwachsen verwendeten Gases der Gruppe V bezüglich des Gases der Gruppe III (das Verhältnis V/III) unterschiedlich zu demjenigen bei der CBE und der MBE um einen Faktor von etwa 100-10 ist, gibt es dahingehend einen Nachteil, daß der Betrag des verwendeten Gases der Gruppe V erhöht ist, woraus sich eine Erhöhung der Aufwachskosten ergibt. Sogar wenn sich die Substrattemperatur verändert, verändert sich jedoch kaum die Aufwachsgeschwindigkeit, und die Aufwachsgeschwindigkeit kann erhöht werden. Da die Substrattemperatur beim Aufwachsen höher ist als diejenige bei der CBE und MBE und es eine Reduzierungsfunktion herrührend von dem H&sub2;- Gas, welches als Trägergas dient, gibt, ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, daß die Aufnahme von Verunreinigungen wie Sauerstoff gering ist.

Nebenbei gemerkt, es gibt einen großen Unterschied bezüglich des Aufwachsdrucks zwischen der oben beschriebenen MOCVD und der MBE, CBE. Es gibt darüber eine Einführung von W. T. Tsang in einem Artikel mit dem Titel "Chemical Vapor Epitaxy to Chemical Beam Epitaxy", welcher in dem Journal of Crystal Growth 95 (1989) 123 aufgeführt ist. Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen den Verfahren und der Quellensubstanz, dem Aufwachsdruck und dem Gasflußzustand bei der jeweiligen Kristallaufwachstechnik. Da bei der MOCVD ein Aufwachsdruck von 760-10-2 Torr verwendet wird, wird das Reaktionsgas wie ebenso in Fig. 11 dargestellt zu einem zähen Fluß. Demgegenüber wird bei der CBE und der MBE ein Aufwachsdruck von weniger als 10-4 Torr verwendet, und das Gas befindet sich in einem Molekularstrahlgebiet.

Da wie oben beschrieben es einen großen Unterschied bezüglich des Aufwachsdruckes bei dem jeweiligen Aufwachsen zwischen der MOCVD und der MBE, CBE gibt, war es nicht möglich, zwei oder mehr Aufwachsmoden unter Verwendung einer Aufwachsvorrichtung zu realisieren, d. h. denjenigen Modus eines Falles, bei welchem der zähe Fluß verwendet wird, und denjenigen Modus eines Falles, bei welchem das Molekularstrahlgebiet verwendet wird. Es war daher unmöglich, ein Aufwachsverfahren zu realisieren, welches die Charakteristik von jeweiligen Herstellungsverfahren verwendet, beispielsweise das Herstellen einer aktiven Schicht, wobei eine feine Verarbeitung unter Verwendung von MBE und CBE erfordert wird, und das Herstellen einer Stromblockierungsschicht, welches die Wichtigkeit der Aufwachsgeschwindigkeit unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens bei der Herstellung eines Lasers zeigt, wodurch sich eine erhöhte Produktivität ergeben würde.

Die japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 61- 242989 offenbart ein Verfahren, bei welchem nach Durchführen eines epitaxialen Dampfphasenaufwachsens ein Molekularstrahlkristallaufwachsen aufeinanderfolgend mittels einer kombinierten epitaxialen Dampfphasenaufwachskammer und einer Molekularstrahlaufwachskammer durchgeführt wird. Fig. 14 zeigt einen Konstruktionsplan einer Kristallaufwachsvorrichtung, welche in der veröffentlichten Anmeldung aufgeführt ist. Entsprechend Fig. 14 besitzt eine Molekularstrahlaufwachskammer 201 eine darin befindliche Substrathalteeinrichtung 203, und es ist eine Mehrzahl von Molekularstrahlzellen 202 an dem Rand der Substrathalteeinrichtung 203 vorgesehen. Ein Verschluß bzw. eine Blende 213 zum Steuern des Flusses des Verdampfungsmolekularstrahls ist an dem Öffnungsteil der Molekularstrahlzelle 202 vorgesehen. Eine Dampfphasenepitaxialkammer 205 besitzt im Inneren einen Substrathalter 208 und besitzt Gaseinlaßkanäle 206 und 214 sowie einen Gasauflaßkanal 207. Eine Einlaßöffnung 209 ist derart vorgesehen, so daß ein Substrat dadurch in die Dampfphasenepitaxialkammer 205 übertragen wird, und es ist ein umschaltbarer Absperrschieber 210 zwischen der Dampfphasenepitaxialkammer 205 und der Einlaßöffnung 209 vorgesehen. Eine Auslaßkammer 204 ist zwischen der Molekularstrahlkristallaufwachskammer 201 und der Dampfphasenepitaxialkammer 205 vorgesehen, welche über die Auslaßkammer 204 miteinander verbunden sind, und Absperrschieber 212 und 211 sind jeweils zwischen der Auslaßkammer 204 und der Molekularstrahlkristallaufwachskammer 201 und zwischen der Auslaßkammer 204 und der Dampfphasenepitaxialkammer 205 angeordnet.

Im folgenden wird eine Beschreibung eines Kristallaufwachsens unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung gegeben. Zuerst wird ein gespültes und getrocknetes Substrat in die Einlaßöffnung 209 gebracht und unter Verwendung einer in der Figur nicht dargestellten Übertragungsvorrichtung in die Dampfphasenepitaxialkammer 205 übertragen. Danach wird über die Gaseinlaßkanäle 206 und 214 in einem Zustand, bei welchem die Absperrschieber 210 und 211 geschlossen sind, reaktives Gas zugeführt, und durch Ändern der Flußrate des Gases wird das Substrat abwechselnd dem Ätzen oder dem epitaxialen Aufwachsen unterworfen. Danach wird der Absperrschieber 211 in einem Zustand geöffnet, bei welchem der Absperrschieber 212 geschlossen ist, und das Substrat wird in die Auslaßkammer 204 eingeführt und der Absperrschieber 211 wird geschlossen. In diesem Zustand befindet sich die Auslaßkammer 204 in einem Hochvakuum, und danach wird der Absperrschieber 212 geöffnet und das Substrat wird in die Molekularstrahlkristallaufwachskammer 201 eingeführt, und der Absperrschieber 212 wird geschlossen. Danach wird ein Molekularstrahlkristallaufwachsen durchgeführt.

Durch Verwendung einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, nach einem Entfernen von Verunreinigungen aus dem Substrat in der Dampfphasenepitaxialkammer ein epitaxiales Aufwachsen durchzuführen und darauf folgend das Molekularstrahlkristallaufwachsen durchzuführen, ohne das Substrat der Luft auszusetzen, wodurch Oberflächendefekte reduziert werden und eine Epitaxialschicht mit guter Qualität erlangt wird. Da jedoch Arsenatome als Gas der Gruppe V aus dem Substrat bei einer hohen Temperatur austreten, ist es vorgesehen, nach dem Durchführen des Kristallaufwachsens durch MOCVD das Substrat in die Kammer in einem Zustand zu übertragen, bei welchem die Temperatur der Molekularstrahlkristallaufwachskammer 201 verringert ist. Es war daher unmöglich, aufeinanderfolgend gewünschte Halbleiterschichten aufzutragen, und die Kristallschnittstellen können mit Verunreinigungen verunreinigt sein, welche an der Oberfläche des Substrats während der Übertragung des Substrats anhaften, woraus sich verschiedene Schwierigkeiten ergeben.

Die Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen nach dem Stand der Technik ist wie oben beschrieben konstruiert, und es ist möglich, ein Molekularstrahlkristallaufwachsen auf das epitaxiale Dampfphasenaufwachsen folgend durchzuführen. Da die jeweiligen Vorrichtungen einfach miteinander verbunden sind, wenn das Aufwachsen in einer Mehrzahl von Moden durchgeführt wird, sollten jedoch die benötigten Arten von Vorrichtungen miteinander kombiniert werden, wodurch sich eine große Anlage und ein erhöhte Wartungsarbeit ergibt. Darüber hinaus war es unmöglich, aufeinanderfolgend gewünschte Schichten aufzutragen, ohne eine Zeit zwischen dem Auftragen der jeweiligen Schichten vorzusehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen vorzusehen, bei welcher ein Kristallaufwachsen mit einer Vorrichtung durch Umschalten einer Mehrzahl von Aufwachsmoden durchgeführt werden kann.

Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen ein Substrataufheizteil, auf welchem ein Substrat angebracht wird und welches geeignet ist, das Substrat aufzuheizen, eine Aufwachskammer zur Aufnahme des Substrataufheizteils, eine Molekularstrahlquelle, welche an der Aufwachskammer befestigt ist und einen Molekularstrahl einer abstrahlenden Kristallaufwachssubstanz dem Substrat liefert, welches auf dem Substrataufheizteil angebracht ist, eine Düse, welche an der Aufwachskammer befestigt ist und eine gasförmige Kristallaufwachssubstanz auf das Substrat auswirft, welches auf dem Substrataufheizteil angebracht ist, ein Auslaßrohr, welches über einen Absperrschieber mit der Aufwachskammer verbunden ist, und eine Vakuumkammer, welche über den Absperrschieber mit der Aufwachskammer verbunden ist und in welcher ein Vakuum aufrechterhalten wird. Wenn ein Absperrschieber zwischen einer Vakuumkammer und einer Aufwachskammer geöffnet wird, werden die Vakuumkammer und die Aufwachskammer in einen Zustand des in Verbindungstehens versetzt, und das Gas wird aus der Aufwachskammer ausgelassen, der Druck in der Aufwachskammer wird rasch verringert und es wird ein rascher Übergang von einem Niedrigvakuumzustand in einen Hochvakuumzustand durchgeführt. Daher ist eine Kristallaufwachsvorrichtung entsprechend dem Aufwachsmodus hinreichend, d. h. der Modus wird frei gewählt entsprechend der Dicke und der Steuerbarkeit der Ladungsträgerkonzentration, des Erfordernisses der Selektivität, des Unterdrückens der Dotierungskonzentration in dem Kristall, zur Durchführung eines epitaxialen Aufwachsens für die optische Vorrichtung und die Mikrowellenvorrichtung, wodurch die Qualität der Vorrichtung erhöht und die Kosten verringert werden.

Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen des weiteren eine Ummantelung, welche entlang der inneren Wand der Aufwachskammer vorgesehen ist, in welche flüssiger Stickstoff gefüllt wird, eine Ummantelungsabdeckung, welche zum Abdecken der Ummantelung gebildet ist, wobei ein Abstand zwischen der Ummantelung und der Ummantelungsabdeckung beigehalten wird, eine Einrichtung zum Füllen eines Raums zwischen der Ummantelung und der Ummantelungsabdeckung mit flüssigem Stickstoff und eine Einrichtung zum Ablassen des eingefüllten flüssigen Stickstoffes aus dem Raum, um in dem Raum ein Vakuum zu erzeugen. Daher wird der Druck in der Aufwachskammer durch Adsorbieren eines Moleküls reduziert, welches ein Substanz- bzw. Materiegas in der Aufwachskammer auf der Oberfläche der Ummantelungsabdeckung darstellt, wodurch der Übergang von einem niedrigen Vakuum zu einem hohen Vakuum durchgeführt wird, und demgegenüber wird der Druck in der Aufwachskammer durch Trennen des adsorbierten Moleküls des Materiegases von der Oberfläche der Ummantelungsabdeckung erhöht, wodurch ein Übergang von einem hohen Vakuum zu einem niedrigen Vakuum erzielt wird. Des weiteren wird durch eine Kombination mit der oben beschriebenen Konstruktion der Aufwachsmodus rasch verändert.

Entsprechend einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bei der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen die Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in dem Raum einen ersten und zweiten Zylinder, welche jeweils Kolben enthalten, die an gegenüberliegenden Enden einer Achse miteinander verbunden sind, Auslaßrohre, welche jeweils Ventile besitzen, die jeweils mit einem ersten und einem zweiten Raum in dem ersten Zylinder und einem dritten und vierten Raum in dem zweiten Zylinder in Verbindung stehen, welche durch die Kolben abgeteilt sind, ein Einlaßrohr, welches stromab des Rohrs an der Seite angeschlossen ist, an welcher der flüssige Stickstoff abgelassen wird, und mit dem ersten und dem vierten Raum in Verbindung steht, ein Sauerstoffzufuhrrohr, welches mit dem zweiten und dritten Raum verbunden ist und Sauerstoff in den Raum einführt, und einen Auslaßpumpmechanismus, welcher mit dem zweiten und dem dritten Raum verbunden ist und ein Rohr zur Zufuhr von Phosphingas enthält, welches durch die Krümmung in den Raum beim Kristallaufwachsen fließt. Daher wird unter Verwendung der Auslaßpumpe, in welcher ein Kolben durch Phosphingas angetrieben wird, welches während des Kristallaufwachsens als Treibstoff zu der Krümmung fließt, der flüssige Stickstoff rasch abgelassen und unter einem geringen Aufwand und einer hohen Antriebskraft evakuiert, wodurch die Kristallaufwachssubstanz, welche bei dem Kristallaufwachsen nach dem Stand der Technik nutzlos war, effektiv verwendet wird.

Entsprechend einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen eine Mehrzahl von rippenförmigen Vorsprüngen an der Oberfläche der Ummantelungsabdeckung zur Erhöhung eines effektiven Oberflächenbereichs der Ummantelungsabdeckung vorgesehen, wodurch rasch der Aufwachsmodus verändert wird.

Entsprechend einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen die Vakuumkammer durch Verbinden einer Mehrzahl von Einheiten von Vakuumkammern, welche jeweils eine Auslaßpumpe besitzen, über Absperrschieber in einer Vielzahl von Stufen aufgebaut. Daher werden die Vakuumkammern aufeinanderfolgend mit einem näheren Teil der Aufwachskammer verbunden, wodurch der Druck in der Aufwachskammer durch allmähliches Einstellen bzw. Bestimmen des Drucks auf verschiedene Werte reduziert wird, wodurch das Kristallaufwachsen bei einer geeigneten Aufwachsbedingung durchgeführt wird.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, welches eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht, welche ein Hauptteil einer Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches einen Rand einer Ummantelung während eines Kristallaufwachsens in einem MOCVD- Modus unter Verwendung der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches einen Rand einer Ummantelung während eines Kristallaufwachsens bei der Änderung eines Modus von der MOCVD zu der CBE unter Verwendung der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, welches einen Rand einer Ummantelung während eines Kristallaufwachsens bei der Änderung eines Modus von der CBE zu der MOCVD unter Verwendung der Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, welches eine Auslaßpumpe einer Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Fig. 7 zeigt eine Ansicht, welche eine MBE-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 8 zeigt eine Ansicht, welche eine CBE-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 9 zeigt eine Ansicht, welche einen Aufwachsmechanismus in Übereinstimmung mit der MBE-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 10 zeigt eine Ansicht, welche einen Aufwachsmechanismus in Übereinstimmung mit der CBE-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 11 zeigt eine Ansicht, welche eine MOCVD-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 12 zeigt eine Ansicht, welche einen Aufwachsmechanismus in Übereinstimmung mit der MOCVD-Vorrichtung nach dem Stand der Technik im Konzept veranschaulicht.

Fig. 13 zeigt ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen den Kristallaufwachsverfahren und der Substanz, dem Aufwachsdruck und dem Gasfluß veranschaulicht.

Fig. 14 zeigt ein Diagramm, welches eine lineare Kristallaufwachsvorrichtung veranschaulicht, bei welcher ein Kristallaufwachsen durch Ändern des Aufwachsmodus nach dem Stand der Technik durchgeführt wird.

Es wird eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Entsprechend Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat, welches aus GaAs besteht bzw. enthält. Ein Substrataufheizteil 2 zum Anbringen des Substrats 1 ist in einer Aufwachskammer 3 angeordnet. Ummantelungen 21, d. h. Kryotafeln für flüssigen Sauerstoff, welche verhindern, daß das Verunreinigungsgas von der erhitzten Zelle auf das Substrat ausgeht, sind in der Aufwachskammer 3 angeordnet. Eine Spaltzelle 4 bezüglich eines Gases der Gruppe V und eine Spaltzelle 6 bezüglich eines Gases der Gruppe III sind an der Aufwachskammer 3 derart vorgesehen, daß die einen Enden davon auf das Substrataufheizteil 2 zu geöffnet sind, und an den anderen Enden davon ist jeweils ein Dreiwegeventil vorgesehen. Das stromabwärts befindliche Ende des Dreiwegeventils 7 ist mit einem Massenflußkontroller 8 und mit einem Zweiwegeventil 5 verbunden. Eine MOCVD-Modus-Einspritzdüse 20 ist an der Aufwachskammer 3 derart vorgesehen, daß ein Ende davon in Richtung auf das Substrataufheizteil 2 geöffnet ist und sich das andere Ende davon in drei Teile aufzweigt, d. h. H&sub2; wird als Trägergas in einen der drei Zweige eingeführt, und die Dreiwegeventile 7 sind mit den anderen zwei Enden verbunden, welche an ihren stromab befindlichen Enden mit einem Massenflußkontroller 8 und einem Zweiwegeventil 5 verbunden sind. Ein Drucksensor 10a ist vorgesehen, um den Druck in der Aufwachskammer 1 zu erfassen.

Darüber hinaus ist die Aufwachskammer 3 mit einem Auslaßrohr 40 und einer ersten vorausgehenden Vakuumkammer 14 oberhalb des Substrataufheizteils 2 versehen, und sie ist des weiteren mit zweiten und dritten vorausgehenden Vakuumkammern 15 bzw. 16 stromab des Substrataufheizteils 2 versehen. Ein MOCVD-Modus-Auslaßventil 11, welches uneingeschränkt geöffnet und geschlossen werden kann, ist zwischen dem Auslaßrohr 40 und der Aufwachskammer 3 angeordnet, und eine Stellklappe 13 und eine Drehkolbenpumpe 12 sind stromab des Ventils 11 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein erster Druckeinstellungsabsperrschieber 17, welcher uneingeschränkt geöffnet und geschlossen werden kann, zwischen der ersten vorausgehenden Vakuumkammer 14 und der Aufwachskammer 3 angeordnet, und zweite und dritte Druckeinstellungsabsperrschieber 18 und 19 sind zwischen der ersten vorausgehenden Vakuumkammer 14 und der zweiten vorausgehenden Vakuumkammer 15 bzw. zwischen der zweiten vorausgehenden Vakuumkammer 15 und der dritten vorausgehenden Vakuumkammer 16 angeordnet. Eine Turbomolekularpumpe 42 zum Auslassen von Gasen ist in den vorausgehenden Vakuumkammern 14, 15 und 16 über Absperrschieber 41 vorgesehen (der Absperrschieber 41 und die Turbomolekularpumpe 42 sind an der dritten vorausgehenden Vakuumkammer 16 in Fig. 1 weggelassen). Drucksensoren 10b zum Erfassen des Drucks in der Vakuumkammer sind in den vorausgehenden Vakuumkammern 14, 15 bzw. 16 vorgesehen.

Ein Kontroller 9 ist zum Steuern der Druckeinstellungsabsperrschieber 17, 18 und 19 und der Turbomolekularpumpe 42 in Übereinstimmung mit den Ausgängen der jeweiligen Drucksensoren 10a und 10b vorgesehen.

Im folgenden wird eine Beschreibung des Verfahrens zum Durchführen des Kristallaufwachsens unter Verwendung der Vorrichtung zum epitaxialen Aufwachsen gegeben, welche wie oben beschrieben konstruiert ist.

Zuerst wird während des Durchführens eines epitaxialen Aufwachsens unter Verwendung dieser Vorrichtung der Druckeinstellungsabsperrschieber 17 geschlossen, und das MOCVD- Modus-Auslaßventil 11 wird geöffnet, um einen Gasfluß zu erzeugen. Die Substanzen werden durch die Massenflußkontroller 8 eingeführt, und der Gasfluß wird auf die Aufwachskammer von der Entlüftung durch das Dreiwegeventil 7 geschaltet. Darüber hinaus wird Sauerstoff (H&sub2;), welches als Trägergas verwendet wird, der Einspritzdüse 20 zugeführt. Der Aufwachsdruck wird danach auf einen willkürlichen Wert innerhalb 760-10-2 Torr durch Steuern des Öffnungsgrads der Stellklappe 13 des Auslaßrohrs 40 durch den Kontroller 9 auf der Grundlage des Signals von dem Drucksensor 10a bestimmt. Mit anderen Worten, wenn der Öffnungsgrad der Stellklappe 13 niedrig ist, wird der Druck in der Aufwachskammer 3 erhöht, während der Druck in der Aufwachskammer verringert wird, wenn der Öffnungsgrad der Stellklappe 13 groß ist. Während des Aufwachsmodus sind des weiteren die Absperrschieber 41 der jeweiligen Vakuumkammern 14, 15 und 16 geöffnet, die Turbomolekularpumpen 42 werden betrieben, um die Gase in die vorausgehenden Vakuumkammern 14, 15 und 16 auszulassen, bis der Druck darin, welcher von dem Drucksensor 10b erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert annimmt, um das Kristallaufwachsen in den MBE- und CBE-Moden vorzubereiten.

Während des Durchführens des Kristallaufwachsens in dem CBE-Modus wird das Substanz- bzw. Materiegas und das H&sub2;- Gas, welche in dem MOCVD-Modus fließen, gestoppt, und das Zweiwegeventil 5 wird geöffnet, und das Materiegas wird den Zellen 4 und 5 zugeführt. Darüber hinaus wird das MOCVD-Modus-Auslaßventil 11 an der Auslaßseite geschlossen, und jeweilige Druckeinstellungsventile 17, 18 und 19 werden bezüglich des Öffnungsgrads in Übereinstimmung mit dem Öffnungssignal von dem Drucksensor 10b gesteuert, welcher an jeweiligen vorausgehenden Aufwachskammern 14, 15 und 16 vorgesehen ist, so daß der Druck in der Aufwachskammer 3 10-4 Torr beträgt. Mit anderen Worten dargestellt, während beispielsweise, wenn der Druckeinstellungsabsperrschieber 17 geöffnet ist, der Druck in der Aufwachskammer 3 rasch reduziert wird, wenn der von dem Drucksensor 10b in der ersten vorausgehenden Vakuumkammer 14 erfaßte Druck nicht den gewünschten Wert erreicht, wird der Druckeinstellungsabsperrschieber 19 an der rückseitigen Stufe bzw. an dem rückseitigen Abschnitt nicht von dem Kontroller 9 geöffnet, und, wenn der Druck den gewünschten Wert erreicht, wird der Druckeinstellungsabsperrschieber, welcher vorher geöffnet war, geschlossen. Die Volumina der vorausgehenden Vakuumkammern 14, 15 und 16 werden auf die geeignetsten Werte eingestellt, so daß ein gewünschter Vakuumgrad in der Aufwachskammer 3 erzielt wird.

Durch die oben beschriebene Operation kann der Druck in der Aufwachskammer 3 sofort auf einen gewünschten Wert reduziert werden.

Darüber hinaus kann eine MBE durch Erhöhen des Vakuumgrads durch Öffnen einer Vielzahl von Druckeinstellungsabsperrschiebern realisiert werden, wenn der MBE-Modus verwendet wird, da der Druckunterschied in der CBE wie in Fig. 13 dargestellt klein ist. Danach ist es durch Ersetzen der Zellen 6 des Gases der Gruppe III und der Spaltzelle 4 des Gases der Gruppe V durch Knudsenzellen bezüglich jeweiliger Festkörperquellen oder durch vorausgehendes Bereitstellen einer Vielzahl von Öffnungen zum Befestigen der Zellen und zum Befestigen der Zellen 6 des Gases der Gruppe III, der Spaltzelle 4 des Gases der Gruppe V und der Knudsenzellen für jeweilige Quellen, welche für das Aufwachsen in den jeweiligen Moden benötigt werden, bezüglich der Öffnungen, nicht nötig, die Zellen auszutauschen, und es ist möglich, den Freiheitsgrad beim Betrieb zu erhöhen.

Entsprechend dieser Ausführungsform ist ein Auslaßrohr 40 an der Aufwachskammer 3 über ein MOCVD-Modus-Auslaßventil 11 vorgesehen, die erste vorausgehende Vakuumkammer 14 ist über einen Druckeinstellungsabsperrschieber 17 damit verbunden, und eine Mehrzahl von vorausgehenden Vakuumkammern ist über ein Druckeinstellungsventil an der letzten Stufe davon damit verbunden, und wenn der Aufwachsmodus von MOCVD auf MBE, CBE umgeschaltet wird, wird das MOCVD-Modus- Auslaßventil 11 geschlossen, wenn der Druckeinstellungsabsperrschieber 17 geöffnet wird, um die Aufwachskammer 3 und die erste vorausgehende Vakuumkammer 14 miteinander zu verbinden (also ein Rückseitenabschnitt einer vorausgehenden Vakuumkammer, wenn erforderlich), wodurch ermöglicht wird, daß der Druck in der Aufwachskammer 3 sofort auf einen gewünschten Druck reduziert wird. Darüber hinaus kann eine Halbleiterschicht, welche keine Turbulenz einer Kristallschnittstelle besitzt, gebildet werden, ebenso wie das MOCVD-Verfahren, welches bezüglich der Aufwachsgeschwindigkeit überlegen ist, und die CBE und MBE, welche bezüglich der feinen Strukturierung überlegen sind, können unter Verwendung der Charakteristik der jeweiligen Herstellungsverfahren verwendet werden, wodurch die Produktivität erhöht wird.

Im folgenden wird eine Beschreibung einer Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. In Fig. 2 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 dieselben oder entsprechende Teile. Bezugszeichen 27 bezeichnet eine Ummantelungsschutzschicht (Ummantelungsabdeckung), welche aus SUS besteht bzw. enthält und derart angeordnet ist, daß die Ummantelung 21 bedeckt wird. Eine Mehrzahl von rippenförmigen Vorsprüngen ist außerhalb der Ummantelungsschutzschicht 27 angeordnet, und es ist ein Raum 23, welcher eine vorgeschriebene Breite besitzt, zwischen der Ummantelung 21 und der Ummantelungsschutzschicht 27 wie durch Bezugszeichen 27a in Fig. 3 dargestellt sichergestellt. Ein Einlaßsteuerventil 22 für flüssigen Stickstoff ist mit dem Raum 23 der Ummantelungsschutzschicht 27 verbunden und stromauf der Ummantelungsschutzschicht 27 angeordnet, und es ist ein Auslaßsteuerventil 23 mit dem Raum 43 verbunden und stromab der Ummantelungsschutzschicht 27 angeordnet. Ein Pumpeneinlaßventil 24 ist stromab des Auslaßsteuerventils 23 angeordnet, und ein Auslaßrohr 25 ist stromab des Pumpeneinlaßventils 24 angeordnet, und es ist ein Druck- und Temperatursensor 26 nahe des Auslaßsteuerventils 23 angeordnet.

Zu Anfang werden während des Kristallaufwachsens in dem MOCVD-Modus die jeweiligen Ventile wie bei der ersten Ausführungsform betätigt bzw. betrieben, die Steuerventile 22 und 23 werden geschlossen, das Pumpeneinlaßventil 24 wird geöffnet, und der Raum 43 zwischen der Ummantelung 21 und der Ummantelungsschutzschicht 27 wird durch die Auslaßpumpe 25 entleert. Obwohl die Ummantelung 21 mit flüssigem Stickstoff, das eine niedrige Temperatur vom 77K besitzt, gefüllt ist, ist die externe Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 nicht vollständig gekühlt, da Hitze nicht auf das Vakuum übertragen werden kann. Sogar wenn das Substanz- bzw. Materiegas in diesem Zustand von einer Einspritzdüse 20 zugeführt wird, haftet kein Substanz- bzw. Materiegas an der Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27, da die externe Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 sich auf derselben Temperatur wie in der Aufwachskammer 3 entsprechend Fig. 3 befindet, wodurch das Kristallaufwachsen in dem MOCVD-Modus ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform realisiert wird.

Wenn das Kristallaufwachsen durch Umschalten des Modus von MOCVD auf CBE/MBE durchgeführt wird, ist es nötig, sofort den Druck in der Aufwachskammer 3 zu reduzieren. Um dies zu realisieren, werden zuerst die jeweiligen Ventile ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform geöffnet oder geschlossen, die Auslaßpumpe 25 wird gestoppt, und das Steuerventil 22 wird derart geöffnet, daß flüssiger Stickstoff in den Raum 43 zwischen der Ummantelungsschutzschicht 27 und der Ummantelung 21 wie in Fig. 4 dargestellt eingeführt wird. Da der Raum 43 darauf sich im Zustand eines Vakuums befindet, wird der flüssige Stickstoff rasch in den Raum 43 eingeführt, wodurch sich der Raum 43 mit dem flüssigen Stickstoff füllt. Wenn durch den Drucksensor 26 erfaßt wird, daß der Druck in dem Raum 43 auf einen Wert oberhalb des atmosphärischen Druckes angestiegen ist, wird das Auslaßventil 23 geöffnet, wodurch die externe Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 sofort auf 77K abgekühlt wird. Da bei dieser Temperatur nahezu das gesamte Gas in der Aufwachskammer 3 anhaftet, wird der Grad des Vakuums in der Aufwachskammer 3 rasch erhöht. Durch Bereitstellen einer Mehrzahl von Rippen auf der externen Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 erhöht sich die Menge von Gas, welches festgehalten werden kann, mit einem Ansteigen des Oberflächengebiets der Ummantelungsschutzschicht, wodurch des weiteren der Grad des Vakuums erhöht wird.

Wenn das Kristallaufwachsen durch Umschalten des Modus von CBE/MBE auf MOCVD durchgeführt wird, wird das Steuerventil 22 geschlossen, und es wird die Zufuhr von flüssigem Stickstoff in den Raum 43 zwischen der Ummantelungsschutzschicht 27 und der Ummantelung 21 gestoppt. Der flüssige Stickstoff in dem Raum 43 wird durch Erwärmung von der Zelle und dem Substrataufheizteil 2, welche eine hohe Temperatur besitzen, rasch verdampft und über das Auslaßventil 23 ausgelassen. Wenn der von dem Sensor 26 erfaßte Druck auf atmosphärischen Druck reduziert ist, wird das Auslaßventil 23 geschlossen, das Pumpeneinlaßventil 24 geöffnet, der Raum 23 zwischen der Ummantelung 21 und der Ummantelungsschutzschicht 27 entleert, und die Gasteilchen, welche auf der externen Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 anhaften, werden wie in Fig. 5 dargestellt desorbiert, wobei das Öffnen oder Schließen der in dem MOCVD-Modus benötigten Ventile durchgeführt wird. Danach erhöht sich der Druck in der Aufwachskammer 3 rasch und begibt sich in einen Zustand, welcher zum Kristallaufwachsen im MOCVD-Modus geeignet ist.

Während die Ummantelungsschutzschicht 27 aus einer einschichtigen Struktur gebildet ist, kann bei der vorliegenden Erfindung eine mehrschichtige Struktur verwendet werden, wodurch sich der wesentliche Oberflächenbereich der Ummantelungsschutzschicht bei einer hohen Effizienz erhöht.

In Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform ist die Ummantelung 21 von der Ummantelungsschutzschicht 27 umgeben, der Raum 43 ist zwischen der Ummantelung 21 und der Ummantelungsschutzschicht 27 gebildet, und es wird der Zustand, bei welchem der Raum 43 mit dem flüssigen Stickstoff durch Fließen des flüssigen Stickstoffs in den Raum gefüllt wird, auf den Zustand umgeschaltet, bei welchem der Raum 43 entleert ist. Wenn das Kristallaufwachsen durch Umschalten des Modus von MOCVD auf CBE/MBE durchgeführt wird, wird der Druck in der Aufwachskammer 3 durch Adsorbieren des Substanz- bzw. Materiegases in der Aufwachskammer 3 rasch reduziert, um den Grad des Vakuums in der Aufwachskammer 3 auf der Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht zu erhöhen. Wenn demgegenüber das Kristallaufwachsen durch Umschalten des Modus von CBE/MBE auf MOCVD umgeschaltet wird, wird das adsorbierte Substanz- bzw. Materiegas auf der Oberfläche der Ummantelungsschutzschicht 27 desorbiert, und der Druck in der Aufwachskammer 3 wird rasch erhöht, wodurch die Aufwachsvorrichtung bei einer höheren Geschwindigkeit gegenüber der ersten Ausführungsform betrieben wird, wodurch die Produktivität verbessert wird.

Im folgenden wird eine Beschreibung einer Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Um den in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Mechanismus zu realisieren, wird eine Pumpe mit einer großen Verdrängung benötigt, um eine große Menge von Stickstoff aus der Ummantelungsschutzschicht 27 nach dem Auslassen des gasförmigen Stickstoffes über das Auslaßventil 23 zu evakuieren. Bei der dritten Ausführungsform ist folgender Auslaßmechanismus vorgesehen. Entsprechend Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 34 einen Zylinder, welcher wie in Fig. 2 dargestellt anstelle der Pumpe 25 angeschlossen ist. Der Zylinder 34 besitzt zwei Räume 34a und 34b, welche miteinander in Verbindung stehen und in denen jeweils ein gleitender Kolben 37 derart vorgesehen ist, daß der Raum 34a in einen ersten Raum 30 und einen zweiten Raum 31 bzw. der Raum 34b in einen dritten Raum 32 und einen vierten Raum 33 unterteilt sind. Ein Phosphin-Behälter (PH&sub3;-Behälter) 35, welcher mit dem Rohr der Entlüftungsseite für PH&sub3; verbunden ist, welches als Substanz- bzw. Materiegas der Gruppe V der in Fig. 1 dargestellten Kristallaufwachsvorrichtung verwendet wird, ist über eine Kompressionspumpe 36 mit dem Öffnungsseitenrohr verbunden. Ein Kontroller 28 zum Steuern der Flußrate von PH&sub3; ist stromab des PH&sub3;-Behälters 35 angeordnet, wobei der Kontroller 28 in zwei Teile unterteilt ist, die über die Absperrschieber 44a und 44b mit den zweiten und dritten Räumen 31 bzw. 32 verbunden sind. Ein Verbrennungskontroller 29, welchem Sauerstoff von außerhalb zugeführt wird, spaltet sich in zwei Teile auf und ist mit dem zweiten und dritten Raum 31 und 32 durch ein Sauerstoffzufuhrrohr 38 verbunden, welches über die Absperrventile 45a bzw. 45b angeschlossen ist. An die ersten bis vierten Räume 30-33 sind Auslaßöffnungen 47a-47d jeweils angeschlossen, und an dem ersten und vierten Raum 30 und 33 sind jeweils Einlaßöffnungen 48a und 48b angeordnet. Diese Einlaßöffnungen 48a und 48b sind stromab mit dem Pumpeneinlaßventil 24 anstelle der in Fig. 2 dargestellten Pumpe 25 verbunden. Bezugszeichen 49a-49d bezeichnen Absperrventile, die an den Auslaßöffnungen 47a-47d angeordnet sind, und Bezugszeichen 50a und 50b bezeichnen Absperrventile, die an den Einlaßöffnungen 48a bzw. 48b angeordnet sind.

Im folgenden wird eine Beschreibung des Betriebs der Auslaßvorrichtung der dritten Ausführungsform beschrieben. Zu Anfang wird PH&sub3;-Gas, welches in der Entlüftungsleitung fließt und während des Kristallaufwachsens ausgeworfen wird, in die Kompressionspumpe 36 eingeführt und in dem PH&sub3;-Behälter 35 komprimiert angesammelt. Wenn der erste Raum 30 auf das Minimum reduziert ist (der ersten Raum 30 befindet sich in der Auslaßstufe, der zweite Raum 31 befindet sich in der Ausdehnungsstufe, und der dritte Raum 32 befindet sich in der Kompressionsstufe), wird Sauerstoff mit einer von dem Verbrennungskontroller gesteuerten Flußrate in den dritten Raum 32 gleichzeitig mit dem PH&sub3;-Gas, dessen Fließrate von dem Kontroller 28 gesteuert wird, injiziert. Des weiteren tritt in dem dritten Raum 32 eine Verbrennungsreaktion von PH&sub3; und Sauerstoff auf (der dritte Raum 32 befindet sich in der Ausdehnungsstufe), der Kolben 37 bewegt sich rasch auf das rechte Ende des Raums zu, eine große Menge Gas wird in den ersten Raum 32 gebracht (der erste Raum 30 befindet sich in der Einlaßstufe), und das in dem Raum aufgenommene Gas wird von dem vierten Raum 33 ausgelassen (der vierte Raum 33 befindet sich in der Auslaßstufe). Wenn der erste Raum 30 sich durch Entleeren von PH&sub3; und Sauerstoff in den zweiten Raum 33 auf das Maximum vergrößert hat, kann dadurch das Gas in den vierten Raum 33 gebracht werden, und das Gas kann in den ersten Raum 30 ausgelassen werden. Tabelle 1 zeigt den Betrieb bei einem Öffnungs/Schließzeitablauf der jeweiligen Absperrventile an. Tabelle 1



In Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform wird bei Verwendung des Kolbens 37, welcher Köpfe an gegenüberliegenden Seiten der Achse in dem Zylinder 34 besitzt, der Raum 34a in erste und zweite Räume 30 und 31 und der Raum 34b in dritte und vierte Räume 32 und 33 durch die jeweiligen Köpfe des Kolbens 37 geteilt. Die Einlaß/Auslaßstufe wird in dem ersten und vierten Raum aufrechterhalten, und der Kolben 37 wird zwischen jeweils geteilten Räumen in zwei Zyklen betrieben, um ein Gas aus zulassen, welches ein Volumen entsprechend dem Volumen in dem Zylinder 34 besitzt, durch Hin- und Herbewegen des Kolbens. Daher wird unter Verwendung des oben beschriebenen Auslaßmechanismus der Auslaßschritt bei der Kristallaufwachsvorrichtung, welche bezüglich der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, rasch durchgeführt, wodurch sich der Druck in der Aufwachskammer 3 erhöht. Des weiteren wird die Substanz wirksam verwendet, da die Ansteuerungsenergie des Auslaßmechanismus unter Verwendung des an der Entlüftungsleitung ausgelassenen Substanz- bzw. Materiegases bereitgestellt wird.

Vorstehend wurde eine Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen offenbart, welche ein Substrataufheizteil, eine Aufwachskammer, eine Molekularstrahlquelle, eine Düse, welche eine gasförmige Kristallaufwachssubstanz auswirft, ein Auslaßrohr und eine Vakuumkammer enthält. Da ein Absperrschieber zwischen einer Vakuumkammer und einer Aufwachskammer geöffnet ist, werden die Vakuumkammer und die Aufwachskammer in einen Zustand gebracht, in welchem sie miteinander in Verbindung stehen, und das Gas wird von der Aufwachskammer ausgelassen, der Druck in der Aufwachskammer wird rasch reduziert, und der Übergang von einem Niedrigvakuumzustand in einen Hochvakuumzustand wird rasch durchgeführt. Daher ist eine Einkristallaufwachsvorrichtung bezüglich eines entsprechenden Aufwachsmodus geeignet, d. h. der Modus wird frei gewählt bezüglich der entsprechenden Dicke und der Steuerbarkeit der Ladungsträgerkonzentration, des Erfordernisses der Selektivität und des Unterdrückens der Dotierungskonzentration in dem Kristall, bezüglich des epitaxialen Aufwachsens für eine optische Vorrichtung und eine Mikrowellenvorrichtung, wobei die Qualität der Vorrichtung erhöht und die Kosten reduziert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 1) mit:

    einem Substrataufheizteil (2), auf welchem ein Substrat (1) angebracht ist und welches zum Aufheizen des Substrats (1) geeignet ist;

    einer Aufwachskammer (3) zur Aufnahme des Substrataufheizteils (2);

    einer Molekularstrahlquelle, welche an der Aufwachskammer (3) befestigt ist und einen Molekularstrahl einer Kristallaufwachssubstanz auf das Substrat (1) richtet, welches auf dem Substrataufheizteil (2) angebracht ist; einer Düse (20), welche an der Aufwachskammer (3) befestigt ist und eine gasförmige Kristallaufwachssubstanz auf das Substrat (1) auswirft, welches auf dem Substrataufheizteil (2) angebracht ist;

    einem Auslaßrohr (40), welches über einen Absperrschieber (41) mit der Aufwachskammer (3) verbunden ist; und einer Vakuumkammer (14), welche über den Absperrschieber (41) mit der Aufwachskammer (3) verbunden ist und darin einen Vakuumzustand aufrechthält.
  2. 2. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

    eine Ummantelung (21), welche entlang der inneren Wand der Aufwachskammer (3) vorgesehen ist und in welche flüssiger Stickstoff gefüllt ist;

    eine Ummantelungsabdeckung (27), die zur Bedeckung der Ummantelung (21) gebildet ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Ummantelung (21) und der Ummantelungsabdeckung (27) aufrechterhalten wird;

    eine Einrichtung zum Füllen eines Raums (43) zwischen der Ummantelung (21) und der Ummantelungsabdeckung (27) mit dem flüssigen Stickstoff; und

    eine Einrichtung zum Auslassen des eingefüllten flüssigen Stickstoffs aus dem Raum (43), um in dem Raum (43) ein Vakuum zu erzeugen.
  3. 3. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 6) nach Anspruch 2, des weiteren gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in dem Raum mit:

    erste und zweite Zylinder (34a, 34b), welche jeweils Kolben (37) enthalten, welche an gegenüberliegenden Enden einer Achse angebracht sind;

    Auslaßrohre (47a, 47b, 47c, 47d), welche jeweils Ventile (49a, 49b, 49c, 49d) aufweisen, die jeweils mit einem ersten Raum (30) und einem zweiten Raum (31) in dem ersten Zylinder (34a) und einem dritten Raum (32) und einem vierten Raum (33) in dem zweiten Zylinder (34b) in Verbindung stehen, welche durch die Kolben (37) unterteilt sind; Einlaßrohre (48a, 48b), welche stromab der Rohre (47a, 47b) an der Seite angebracht sind, an welcher der flüssige Stickstoff ausgelassen wird, und welche mit dem ersten Raum (30) und dem vierten Raum (33) in Verbindung stehen;

    Sauerstoffzufuhrrohre (38a, 38b), welche mit dem zweiten Raum (31) und dem dritten Raum (32) verbunden sind und Sauerstoff in die Räume (31, 32) einführen; und einen Auslaßpumpmechanismus, welcher mit dem zweiten Raum (31) und dem dritten Raum (32) verbunden ist und ein Rohrzuführungs-Phosphingas enthält, welches durch die Krümmung zu den Räumen (31, 32) bei dem Kristallaufwachsen fließt.
  4. 4. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Auslaßpumpmechanismus Phosphingas und Sauerstoff in dem zweiten Raum (31) bzw. dem dritten Raum (32) derart reagieren, daß sich der Druck in den Räumen (31, 32) ändert und die Kolben (37) in den Zylinder (34) gleiten, um das Volumen des ersten Raums (30) und des vierten Raums (33) zu ändern, und der über die Einlaßrohre (48a, 48b), welche mit den Räumen (30, 33) verbunden sind, eingebrachte Stickstoff über die Auslaßrohre (47a, 47b, 47c, 47d), welche mit den Räumen (30, 31, 32, 33) verbunden sind, ausgelassen wird.
  5. 5. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl rippenförmiger Vorsprünge (27a) an der Oberfläche der Ummantelungsabdeckung (27) vorgesehen ist.
  6. 6. Vorrichtung zum epitaxialen Kristallaufwachsen (Fig. 1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (14) durch Verbinden einer Mehrzahl von Einheitsvakuumkammern (15, 16), welche jeweils eine Auslaßpumpe (42) aufweisen, über Absperrschieber (41) in einer Vielzahl von Stufen gebildet wird.






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