DE1204494B - Verfahren und Vorrichtung zum Aufdampfen von Schichten aus einer bei Aufdampftemperatur nicht bestaendigen, als Halbleiter-Grundstoff verwendbaren Stoechiometrisch genaubestimmten Mehrstoffverbindung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Aufdampfen von Schichten aus einer bei Aufdampftemperatur nicht beständigen, als Halbleiter-Grundstoff verwendbaren stöchiometrisch genau bestimmten Mehrstoffverbindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleiterkörpern, die insbesondere für Hallspannungs- oder -stromgeneratoren oder auch für in ihrem Widerstandswert durch ein äußeres magnetisches Feld zu steuernde Halbleiteranordnungen Verwendung finden sollen, wobei der Halbleiterkörper aus einem Werkstoff besteht, der seinem chemischen Aufbau nach eine Mehrstoffverbindung ist. Insbesondere kommen als Mehrstoffverbindungen sogenannte Zweistoffverbindungen in Frage, deren eine Komponente z. B. der 11I. Gruppe und deren andere Komponente der V. Gruppe des periodischen Systems angehört. Solche Stoffe sind z. B. Indiumantimonid und Indiumarsenid. Vielfach liegt der Wunsch vor, eine solche Halbleiterschicht mit möglichst geringer Dicke herzustellen. Die Halbleiterschicht kann zu diesem Zweck durch einen Aufdampfprozeß auf einem Träger aufgebracht werden, indem die Mehrstoffverbindung in einem Verdampfer untergebracht wird, der einer entsprechenden Beheizung für den Verdampfungsvorgang unterworfen wird. Bei der Durchführung eines solchen Aufdampfvorganges zeigt es sich nun, daß wegen der verschiedenen Dampfdrücke der einzelnen Komponenten der Mehrstoffverbindung beim Niederschlagen der Verbindung aus der Dampfphase auf dem Träger im allgemeinen keine stöchiometrisch einwandfreie Schicht mit homogener Verteilung entsteht. Entsprechend den verschiedenen Dampfdrücken der Komponenten ergibt sich vielmehr eine Schichtung der beiden Komponenten, wobei die leichter verdampfende Komponente die zuerst auf dem Träger niedergeschlagene Schicht und die schwerer verdampfende die auf dieser Schicht niedergeschlagene zweite Schicht bildet. Im allgemeinen tritt keine scharfe Begrenzung der beiden Schichten ein, sondern es ergibt sich ein mehr oder weniger kontinuierlicher Übergang zwischen den Schichten aus den beiden Komponenten. Es ist dann in einem solchen Falle erforderlich, das auf dem Träger niedergeschlagene Produkt einer thermischen Behandlung zu unterwerfen, damit die einwandfreie stöchiometrische Verbindung in möglichst homogener Verteilung gebildet wird. Dieser Prozeß ist jedoch wegen der weitgehenden Trennung der beiden Komponenten relativ schwierig durchzuführen.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufdampfen von Schichten aus einer bei Aufdampftemperatur nicht beständigen, als Halbleiter-Grundstoff verwendbaren, stöchiometrisch genau bestimmten Mehrstoffverbindung, insbesondere einer Zweistoffverbindung aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, auf einen Träger, wobei die zu kondensierende Verbindung selbst als Ausgangsstoff verdampft und nach Abschluß der Aufdampfung eine homogenisierende Behandlung vorgenommen wird. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß der Aufdampfvorgang stufenweise mit jeweils einem in dosierter Menge in den Verdampfertiegel eingebrachten Bruchteil der insgesamt zu verdampfenden Menge der Verbindung vorgenommen wird. Die Aufdampfung wird vorzugsweise in etwa 10 oder mehr Stufen vorgenommen. Nach Durchführung des Aufdampfvorganges in einer Vielzahl von Stufen ergibt sich somit auf dem Träger ein Schichtensystem, welches aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schichten besteht, von denen z. B. bei Verdampfung einer Zweistoffverbindung die eine Schicht jeweils vorwiegend aus der einen Komponente und die benachbarte Schicht vorwiegend aus der anderen Komponente der verdampften Verbindung besteht. Wird dieses Schichtensystem zur Homogenisierung einer thermischen Behandlung unterworfen, so ist zu übersehen, daß die einzelnen Komponenten auf einem wesentlich kürzeren Wege unmittelbar miteinander in Beziehung treten können und gewissermaßen eine Anordnung vorliegt, in welcher eine bestimmte Vorverteilung der einzelnen Komponenten stattgefunden hat nach Art eines physikalischen Mischvorganges. Halbleiterkörper, welche auf diese Weise hergestellt werden, weisen eine einwandfreiere Stöchiometrie und Homogenität auf, als es erreichbar ist, wenn der Halbleiterkörper aus einer chemischen Verbindung des Verdampfers in einem einzigen Aufdampfvorgang aufgebracht und entsprechend thermisch für die Herbeiführung der stöchiometrischen Verbindung behandelt wird. Die Untersuchungen haben auch ergeben, daß bei dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren die bei der thermischen Behandlung angewandte Temperatur niedriger gewählt werden kann, als sie im anderen Falle erforderlich ist. Das hat den Vorzug, daß man bei diesem Verfahren die Temperaturbehandlung gegebenenfalls bei einer Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes der Verbindung vornehmen kann, während es im anderen Falle erforderlich ist, die aufgedampfte Schicht in den schmelzflüssigen Zustand überzuführen, damit eine einwandfreie Herstellung bzw. Formierung des Halbleiterkörpers erreicht werden kann.
• Nach dem allgemeinen Grundgedanken der Erfindung könnte für deren Durchführung beispielsweise derart vorgegangen werden, daß nach jedem einzelnen Aufdampfungsvorgang von außen in den Verdampfungsbehälter die entsprechende weitere Menge der chemischen Verbindung für die Durchführung der nachfolgenden Aufdampfungsstufe eingebracht wird. Das würde aber zu besonderen Weiterungen Anlaß geben, denn es müßte dann in jedem Falle der Innenraum des Behälters, in welchem der Aufdampfungsvorgang vorgenommen wird, jeweils wieder erst auf den Druck von z. B. etwa 10-6 Torr abgesenkt werden, bei welchem der Aufdampfungsvorgang durchgeführt wird. Außerdem würde jeweils die frisch aufgedampfte Schicht mit der Außenluft in Berührung kommen, so daß eine nachteilige Beeinflussung ihrer Oberfläche z. B. in Form einer Oxydation stattfinden kann. Solchen Mangelerscheinungen kann jedoch dadurch vorgebeugt werden, daß die aufeinanderfolgenden Aufdampfungsstufen ohne Öffnung des Rezipienten stattfinden, in welchem der Aufdampfungsvorgang durchgeführt wird.
• Erfindungsgemäß wird zur Erreichung dieses Zweckes z. B. derart vorgegangen, daß eine Hilfseinrichtung in dem Verdampfer angeordnet wird, die eine entsprechende Anzahl von kleinen Mengen der chemischen Verbindung in einzelnen Vorratsbehältern bzw. auf einzelnen Vorratsflächen trägt, welche derart mechanisch gesteuert wird, daß nach Ablauf des einen Verdampfungsvorganges der Verdampfer aus der Vorratseinrichtung mit der neuen Menge des zu verdampfenden Stoffes selbsttätig beschickt wird. Hierfür ist beispielsweise eine endliche oder auch endlose Fördervorrichtung geeignet, welche mechanisch derart gesteuert wird, daß nach einem Zeitwert, der einem Verdampfungsvorgang entspricht, eine neue Teilmenge vom Vorrat des zu verdampfenden Stoffes in dem Bereich für die übernahme durch eine Leitfläche steht, die eine Verbindungsbahn zwischen dem Verdampfungsbehälter bzw. der Verdampfungsfläche und dem Vorratsbehälter bzw. der Vorratsfläche bildet, und über welche die Menge des zu verdampfenden Stoffes von dem Vorratsbehälter bzw. der Vorratsfläche in den Verdampfer selbsttätig transportiert wird.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird noch auf die Zeichnung Bezug genommen.
• In F i g. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher 1 den Träger bezeichnet, auf welchen die Halbleiterschicht niedergeschlagen wird, die aus der chemischen Verbindung bestehen soll. Dieser zu verdampfende Stoff 3 ist im Verdampfer 2 untergebracht, der z. B. aus Graphit oder aus Wolfram oder Rhenium besteht. Er kann z. B. indirekt beheizt sein, indem er auf einer elektrischen Heizplatte angeordnet ist. Er kann auch direkt geheizt werden, indem er als ein vom elektrischen Strom durchflossener Widerstandsleiter ausgebildet ist, oder durch elektrische Induktion oder auch durch Elektronenbombardement erhitzt werden. Die Beheizung ist in der Zeichnung nicht besonders dargestellt. Bei der Durchführung des Aufdampfungsvorganges bildet sich dann, wie schematisch angedeutet, wenn z. B. die chemische Verbindung Indiumantimonid ist, zunächst eine Niederschlagsschicht 4 aus Antimon und auf dieser eine Niederschlagsschicht 5 aus Iridium, denn Antimon ist der leichter verdampfbare Stoff wegen seines höheren Dampfdruckes, während Iridium der schwerer verdampfbare Stoff ist wegen seines niedrigeren Dampfdruckes. Der aus den beiden Schichten 4 und 5 bestehende Niederschlag auf dem Träger 1 muß nunmehr noch einer thermischen Behandlung unterworfen werden, damit die beiden Schichten in eine einheitliche, möglichst homogene Schicht aus Indiumantimonid übergeführt werden. Hierfür ist es im allgemeinen erforderlich, daß eine Temperaturbehandlung gewählt wird, durch die das auf dem Trägerkörper 1 befindliche Schichtensystem in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt wird, also etwa bei 530° C. Hierbei muß dann gewöhnlich durch besondere Hilfseinrichtungen bzw. Hilfsmittel dafür Sorge getragen werden, daß die Halbleiterschicht in der vorgesehenen Flächenausdehnung erhalten bleibt und nicht zufolge der Oberflächenspannung der Schmelze ein Zusammenlaufen der Halbleiterschicht stattfinden kann. Der Behälter, in dem der Aufdampfvorgang durchgeführt wird, ist schematisch angedeutet und mit 6 bezeichnet.
• In der F i g. 2 ist veranschaulicht, wie das Verfahren z. B. gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann. Auch in diesem Fall ist wieder in einem Behälter 6' ein Träger 1' vorhanden, auf welchen der Stoff 3' niedergeschlagen wird, welcher jeweils in dem Verdampfer 2' enthalten ist. Es wird in diesem Falle zunächst nur ein Bruchteil der gesamten auf dem Träger 1' niederzuschlagenden Menge, z. B. an Indiumantimonid, entsprechend dosiert in den Verdampfer 2' gebracht. Das erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines rohrartigen Teiles 7, in welchem ein Kolben 8 verstellbar ist. Oberhalb des Kolbens 8 lagert die Menge des zu verdampfenden Stoffes in Form eines Vorrates entweder pulverförmig oder/und in dosierten Mengen. An das Rohr 7 schließt sich eine Leitfläche 9 an, welche sich bis an den oberen Rand des Verdampfungsbehälters 2' erstreckt. Durch einen entsprechenden Vorschub des Kolbens 8 läßt sich jeweils eine entsprechend dosierte Menge an Stoff aus dem Vorrat 3" über die Leitbahn 9 in den Verdampfungsbehälter 2' bringen. Nach dem Einbringen einer solchen dosierten Menge in den Verdampfungsbehälter 2' wird der Verdampfungsvorgang durchgeführt, bis die Menge an Stoff 3' aus dem Verdampfer 2' abgedampft ist. Hierbei bildet sich ein Schichtensystem, wie es im Zusammenhang mit der F i g. 1 für die beiden Schichten 4 und 5 erläutert worden ist, wobei diese beiden Schichten in diesem Falle nunmehr mit 4' und 5' bezeichnet sind. Diese beiden Schichten sind entsprechend der geringen verdampfteni Menge entsprechend relativ dünner als im Beispiel nach F i g. 1. Nunmehr wird in den Verdampfer 2' erneut eine nur geringe Menge an zu verdampfendem Stoff 3' eingebracht, die wieder nur einen Bruchteil der gesamten auf dem Träger niederzuschlagenden Halbleitermenge ausmacht. Wird der Verdampfungsprozeß dieser zweiten eingebrachten Menge durchgeführt, so bilden sich nunmehr die Schichten 4" und 5" aus den beiden einzelnen Komponenten. Diese stufenweise Verdampfung wird nun noch einige Male durchgeführt entsprechend der vorgesehenen Stufenzahl, in welcher der Aufdampfungsvorgang durchgeführt werden soll. Es wird bei dieser Unterteilung des gesamten Aufdampfungsvorganges beispielsweise so vorgegangen, daß für die Erzeugung einer Halbleiterschicht von einer Dicke von etwa 10-4 cm ein Aufdampfungsprozeß durchgeführt wird, der aus mindestens 2, vorzugsweise aber etwa 10 oder mehr Stufen besteht. Nachdem das Schichtensystem aufgetragen ist, wird es dann einer entsprechenden thermischen Behandlung, vorzugsweise unterhalb des Schmelzpunktes der chemischen Verbindung, z. B. bei etwa 500° C, unterworfen, damit die chemische Verbindung Indiumantimonid wieder gebildet wird, wenn der Halbleiterkörper aus dieser besteht und diese das Ausgangsprodukt war, welches, wie angegeben, im Verdampfungsbehälter benutzt worden ist.
• Eine andere beispielsweise Ausführung, um in entsprechenden Abständen, d. h. nach Ablauf des einzelnen Verdampfungsvorganges, jeweils eine entsprechende neue begrenzte Menge von zu verdampfendem Material in den Verdampfer einzubringen, veranschaulicht die F i g. 3 der Zeichnung in einer Grundrißdarstellung. In dieser bezeichnet 10 die beispielsweise aus Wolframblech bestehende Verdampfungsfläche, auf welche das jeweils zu verdampfende Material gebracht wird. Das Wolframblech befindet sich zwischen zwei Elektroden 11 und 12, welche als Stromzuleitungen dienen, damit es unmittelbar als ein als elektrischer Widerstand beheizter Verdampfer benutzt werden kann. 13 bezeichnet eine kreisringförmige Trägerfläche für den Stoffvorrat 14. Die Ringscheibe 13 kann z. B. auf Kugeln gelagert sein. Sie wird z. B. mittels eines Exzenters 15 angetrieben, welcher seinerseits von einem nicht besonders dargestellten Elektromotor, gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe, angetrieben wird. Jedesmal, wenn der Exzenter bei seinem Umlauf in Berührung mit der Kreisringscheibe 13 kommt, schiebt er diese um einen entsprechenden Bewegungsschritt in der angedeuteten Pfeilrichtung vorwärts. Von der Kreisringfläche 13 bis zum Verdampfer 10 erstreckt sich eine Gleitbahn 16. Dieser und der Kreisringscheibe 13 ist ein Schieber 17 zugeordnet, welcher über ein geeignetes Getriebe derart gesteuert wird, daß er jeweils dann, wenn die Kreisringscheibe 13 bewegt wird, nach außen in der Richtung ä zurückgezogen ist, so daß sich nun eine neue Vorratsmenge an Stoff 14 vor seine Fläche bewegen kann. Sobald die neue Beschickung des Verdampfers 10 durchzuführen ist, wird der Schieber wieder in der Pfeilrichtung b verschoben und schiebt dann eine entsprechende Menge von der Kreisringscheibe 13 ab, so daß diese Stoffmenge auf die schrägliegende Gleitbahn 16 gelangt und selbsttätig auf die Verdampferfläche rutscht.
• Die Menge des auf die Kreisringscheibe aufgebrachten Halbleiterstoffes kann selbstverständlich entweder nur für die Aufdampfung eines Halbleiterkörpers oder mehrerer Halbleiterkörper nacheinander oder gleichzeitig bemessen werden. Im letzteren Falle kann die Erfindung auch derart angewendet werden, daß in dem gleichen Aufdampfbehälter mehrere zu bedampfende Träger bzw. Niederschlagsflächen z. B. an einer drehbaren Vorrichtung so angeordnet sind, daß die einzelnen Niederschlagsflächen nacheinander der Bedampfung ausgesetzt werden können, ohne den Aufdampfbehälter zwischen den einzelnen Bedampfungen öffnen zu müssen.
• Die einzelnen Schichten des Halbleiter sind in den F i g. 1 und 2 aus Gründen der besseren Veranschaulichung mit übertriebener Dicke dargestellt worden. Die Gesamtdicke eines solchen Halbleiters beträgt beispielsweise etwa 10-4 cm, woraus sich dann die Dicke der Schicht ergibt, die in den einzelnen Verdampfungsstufen aufgebracht wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Aufdampfen von Schichten aus einer bei Aufdampftemperatur nicht beständigen, als Halbleiter-Grundstoff verwendbaren, stöchiometrisch genau bestimmten Mehrstoffverbindung, insbesondere einer Zweistoffverbindung aus Elementen der 11I. und V. Gruppe des Periodischen Systems, auf einen Träger, wobei die zu kondensierende Verbindung selbst als Ausgangsstoff verdampft. und nach Abschluß der Aufdampfung eine homogenisierende Behandlung vorgenommen wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Aufdampfvorgang stufenweise mit jeweils einem in dosierter Menge in den Verdampfertiegel eingebrachten Bruchteil der insgesamt zu verdampfenden Menge der Verbindung vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aufzudampfende Verbindung Indiumantimonid verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aufzudampfende Verbindung Indiumarsenid verwendet wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Aufdampfbehälter (6') eine Hilfseinrichtung (7, 8, 9) vorgesehen ist, welche mit einer Anzahl von Vorratsbehältern oder Vorratsflächen (7) versehen ist, von welchen in der entsprechenden zeitlichen Aufeinanderfolge jeweils nach Ablauf einer Aufdampfungsstufe die neu zu verdampfende Stoffmenge (3') selbsttätig in den Verdampfer (2') gebracht wird (F i g. 2).
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratsfläche zur Aufnahme des gesamten zu verdampfenden Materials (14) für die verschiedenen Stufen als rotierende Ring- oder Schraubenfläche (13) ausgeführt ist (F i g. 3). In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1103 360; britische Patentschrift Nr. 709 503; USA.-Patentschriften Nr. 2 386 875, 2 629 672, 2635579. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1046 437.