Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Schichtabscheidung 25
Der Dampfdruck Pvap der Flüssigkeit hängt von der Temperatur der Flüssigkeit ab. Dieser
Zusammenhang kann durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung, 2.13, beschrieben werden.
d
∆H
( ln Pvap
) ∆H
RT
dT
= 2
RT
⇒ P
vap
= A⋅
e
, mit ∆H ≠ f(T) 2.13
Feste Prekursoren können sublimiert werden. Derartige Quellen haben jedoch zwei wesentliche
Nachteile: Zum einen muss der Prekursor zum Erreichen eines ausreichend hohen
Dampfdrucks stark erwärmt werden, zum anderen hängt die Sublimationsrate in hohem Maße
von der Oberfläche des Prekursorpulvers ab. Dessen Oberfläche nimmt aber mit der Zeit
nichtlinear ab, da die kleineren Partikel zuerst aufgebraucht werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Feststoffe in einem geeigneten Lösungsmittel aufzulösen
und dann gezielt zu verdampfen. Feste Prekursoren, die in einem Lösungsmittel gelöst
sind, haben den Vorteil, dass sie relativ unproblematisch bei Raumtemperatur gemischt,
dosiert und transportiert werden können. Erst unmittelbar vor der Abscheidung wird die Lösung
dann verdampft, das Material in den Leitungen und im Vorratstank wird daher thermisch
nicht belastet und dem Verdampfer wird stets frische Lösung mit konstanter Zusammensetzung
zugeführt.
Grundsätzlich können zwei Verfahren unterschieden werden, die zur Verdampfung von Lösungen
eingesetzt werden: Die Kontakt-Verdampfung, hier verdampft die Flüssigkeit schlagartig
im Kontakt mit einer heißen Oberfläche (z.b. Fritte), und die kontaktlose Verdampfung,
bei der die Lösung tröpfchenweise oder als Aerosol in einen heißen Gasstrom injiziert wird
und dort berührungsfrei verdampft. Beide Verfahren erfordern eine exakte Regelung der
Temperatur. Beim Kontakt-Verdampfer beeinflusst die Verdampfungswärme die Temperatur
der Fritte, was die Verdampfungsrate limitiert. Unerwünschte Effekte sind Kondensation und
Zersetzung der Prekursoren im Verdampfer. Diese Verursachen Unregelmäßigkeiten bei der
Verdampfungsrate, d.h. Komponenten können verstopfen und nicht bemerkte Kondensationsreste
können einen Memory-Effekt verursachen, d.h. eine Verschiebung der Verdampfungsrate
in aufeinanderfolgenden Abscheidungen.
Bei einem Gemisch verschiedener Prekursoren besteht zudem noch das Problem, dass in einem
Verdampfer alle Prekursoren gleichzeitig verdampft werden. Wird das Arbeitsfenster
nicht aufeinander abgestimmt, kommt es zu selektiver Verarmung, wodurch die Zusammensetzung
des abgeschiedenen Materials beeinflusst wird.
Die in dieser Arbeit verwendeten Verdampfersysteme sind Vertreter beider Klassen: Das
ATMI LDS-300B ist ein Kontaktverdampfer und der TRIJET Verdampfer von JIPELEC arbeitet
in berührungsfreier Verdampfung. Die Verwendung verschiedener Einspritzdüsen erlaubt,
es Heterostrukturen zu wachsen [45, 46].
c) MOCVD Reaktoren
Das Kernstück jeder CVD-Anlage ist der Reaktor, in dem die eigentliche Abscheidung stattfindet.
Hier unterscheidet man zwei grundlegende Konzepte: Heißwandreaktoren und Kaltwandreaktoren.
Heißwandreaktoren sind isotherme Öfen, die von allen Seiten her gleichmäßig
beheizt werden. In diesen Reaktoren findet das Schichtwachstum nicht nur auf dem Substrat
statt, sondern auf sämtlichen Oberflächen. Mit zunehmender Schichtdicke auf den Außenwänden
wächst daher das Risiko, dass sich lose Partikel bilden und so die Anlage kontaminieren.
Ein weiterer Nachteil dieses Anlagenkonzeptes, der sich vor allem beim Einsatz
metallorganischer Prekursoren bemerkbar macht, besteht darin, dass die Prozessgase sehr
lange hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bevor sie auf der Oberfläche reagieren. Homogene
Nebenreaktionen in der Gasphase, die zur Zersetzung der Prekursoren führen, können die