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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung,
die zum Ausbilden einer anorganischen Überstruktur, einer metallischen Überstruktur
oder einer organischen Überstruktur
nützlich
ist, insbesondere um eine effiziente Suche nach Substanzen in einer
kurzen Zeitdauer durchzuführen.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung,
die ermöglicht,
dass ein Substrat oder Substrate in der Vorrichtung als Dünnschicht-Ausbildungssystem
transportiert wird oder werden und in einem Zustand transportiert
wird oder werden, in dem sie erhitzt bleiben, und aufeinander folgende
Bearbeitungskammern als unabhängige
Vakuumkammern gebildet sind, wobei der Druck und die Temperatur darin
von einer Kammer unabhängig
von der anderen steuerbar sind.
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Stand der Technik
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In
letzter Zeit wurde nach der Entdeckung von supraleitenden Lanthan/Barium/Kupfer-Oxid-Materialien
ein großer
Fortschritt in Dünnschicht-Ausbildungstechnologien
für Hochtemperatur-Supraleiteroxide
gemacht. Mit einem solchen Fortschritt wurden Anstrengungen ausgedehnt
aufgewendet, um nach einer Vielfalt von neuen funktionalen Substanzen
für metallische,
anorganische und organische Materialien zu suchen und diese zu untersuchen.
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Auf
dem Gebiet der Ausbildung von Dünnschichten
von Hochtemperatur-Supraleiteroxiden macht
es die Tatsache, dass ein funktionales Oxidmaterial wie z. B. vom
Perovskit-Typ selbst ein Mehrkomponentenmaterial mit mehreren Oxiden
ist, schwierig, ein optimiertes Komponentenverhältnis und eine Korrelation
zwischen Dünnschicht-Herstellungsbedingungen
und resultierenden Eigenschaften theoretisch vorherzusagen, und
stellt keine Alternative bereit, außer eine empirische Methode
zur Optimierung zu übernehmen.
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Unter
den Umständen
führte
X.-D. Xiang et al. eine Suche nach Oxid- Hochtemperatur-Supraleitern beim Kombinieren
eines Mehrfach-Zerstäubungs-Dünnschicht-Ausbildungsprozesses
mit einem Maskenstrukturierungsverfahren zum Abdecken von speziellen
Bereichen auf einem Substrat mit Masken und Bewirken einer kombinatorischen
Synthese von anorganischen Materialien durch, wobei eine Anzahl
von anorganischen Substanzen parallel zueinander synthetisiert werden,
und zeigte, dass diese Methode bei der funktionalen Suche nach einem
Mehrkomponentenmaterial Leistung hatte (X.-D. Xiang et al., Science,
268, 1738 (1995)).
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G.
Briceno et al. stellte bei der Suche nach Materialien mit riesigem
Magnetowiderstand (CMR) aus einem neuen Material: LnXMYCoO3-δ(Ln
= La, Y; M = Ba, Sr, Ca, Pb) mit Kobaltoxid als seiner Basiskomponente
128 Prüfstücke mit
verschiedenen Zusammensetzungen her, die unter Verwendung einer kombinatorischen
Synthese durch Zerstäuben
verdampft und anschließend
in einer Sauerstoffatmosphäre
gesintert wurden. Und auf der Basis der Messung des Magnetwiderstandes
dieser Prüfstücke deckten
sie auf, dass sogar ein Mehroxidmaterial ein maximales Magnetwiderstandsverhältnis von
72 % CMR aufwies. Signifikant wurden die Entdeckung und Optimierung
eines neuen CMR-Materials
auf CoO2-Basis bei der Durchführung einer
kombinatorischen Synthese nur zweimal mit verschiedenen Sinterbedingungen
erreicht.
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Es
ist jedoch zu sehen, dass eine kombinatorische Synthese, auf die
vorstehend Bezug genommen wurde, für anorganische Materialien,
wobei das Ausbilden von Dünnschichten
bei Raumtemperatur bewirkt wird, in beiden Fällen nur eine Rolle der einfachen
Steuerung der Zusammensetzungen spielt. Keine kombinatorische Synthese
wurde auch zur Realität
von Dünnschichten
mit einer Überstruktur,
die durch epitaktisches Wachstum für jede von Molekularschichten
von entweder organischen oder anorganischen Materialien ausgebildet
werden.
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Andererseits
wird bemerkt, dass in einem herkömmlichen
Dünnschicht-Herstellungssystem, das
mehrere Bearbeitungsstufen beinhaltet, Wafer zwischen verschiedenen
Prozessstufen durch den Menschen oder einen Roboter transportiert
wurden, Druck- und Temperatur-Prozessparameter für die individuellen Bearbeitungsstufen
nacheinander eingestellt wurden.
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Insbesondere
wenn ein Wafer eine saubere Oberfläche haben muss, müssen Wafer
durch einen Transportweg transportiert werden, der in einem Reinraum
hermetisch abgedichtet ist.
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Da
eine solche Transporteinrichtung normalerweise nicht für Hochtemperaturwafer
ausgelegt ist, war es jedoch üblich,
sich auf eine zeitraubende Prozedur zu verlassen, bei der in einer
gegebenen Prozessstufe bearbeitete heiße Wafer auf Raumtemperatur
gekühlt
und dann in eine nächste
Prozessstufe transportiert werden, in der sie auf eine erforderliche Temperatur
zur Bearbeitung erhitzt werden.
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Ferner
macht es der Bedarf, die Prozessparameter wie z. B. einen Reaktionsdruck
und eine Wafertemperatur nacheinander für die aufeinander folgenden
Bearbeitungsstufen individuell einzurichten, ungeeignet, Wafer kontinuierlich
in verschiedenen Prozessstufen zu bearbeiten.
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Folglich
dient die vorliegende Erfindung dazu, Probleme wie jene, die im
Stand der Technik, wie beschrieben, angetroffen werden, zu lösen, und
ihre erste Aufgabe ist es, eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
zu schaffen, die ermöglicht,
dass Molekularschichten jeweils individuell durch epitaktisches
Wachstum ausgebildet werden, um eine anorganische, metallische oder
organische Überstruktur
solcher Molekularschichten auszubilden, und die ermöglicht,
dass eine effiziente Suche nach einer Substanz in einer kurzen Zeitdauer
durchgeführt
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kombinatorische
Molekularschicht-Epitaxievorrichtung zu schaffen, die in der Lage
ist, Wafer in ihrem erhitzten Zustand zu transportieren, und die
ermöglicht,
dass aufeinander folgende Bearbeitungskammern als unabhängige Vakuumkammern
gebildet werden, wobei der Druck und die Temperatur darin von einer
Kammer unabhängig
von der anderen steuerbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Um
die vorstehend erwähnte
erste Aufgabe zu erfüllen,
schafft die vorliegende Erfindung eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung,
die umfasst eine gemeinsame Kammer mit einem steuerbaren Innendruck;
eine oder mehrere transportierbare Substratheizeinheiten mit einem Substrathalter
zum Halten von einem oder mehreren Substraten in der gemeinsamen
Kammer; und eine oder mehrere Prozessausführungskammern mit einem steuerbaren
Innendruck, die so vorgesehen sind, dass sie den Substratheizeinheiten
entsprechen, wobei die Prozessausführungskammern eine Wachstumskammer,
die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel zum Zuführen von Rohmaterialien auf
das durch die Substratheizeinheit gehaltene Substrat, ein Gaszufuhrmittel
zum Zuführen
eines Gases auf eine Oberfläche
des Substrats und ein Sofortbeobachtungsmittel zum sofortigen Beobachten
des epitaktischen Wachstums einer monomolekularen Schicht für jede der
Schichten auf der Substratoberfläche umfassen,
wodurch ermöglicht
wird, dass die Wachstumstemperatur, der Wachstumsdruck und die Zufuhr der
Rohmaterialien für
jedes der Substrate gesteuert werden, und eine Gruppe von Substanzen
erzeugt wird, deren Wachstum jeweils epitaktisch in einer individuellen
monomolekularen Schicht bewirkt wird und die in einer einzelnen
Reihe von Reaktionen für jedes
der Substrate systematisch gemäß Angaben des
Sofortbeobachtungsmittels zusammengebracht werden.
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Die
vorstehend beschriebene Konstruktion ermöglicht, dass [mehrere Rohmaterialien] × [mehrere
Substrate] × [Reaktionsparameter
wie z. B. Temperatur, Druck und Fluss (Aufbaurate) aus der Gasphase]
unabhängig
voneinander ausgewählt
oder gesteuert werden und in einer beliebigen gewünschten
Kombination zusammengestellt werden, und ist daher in der Lage,
in einer einzelnen Reihe von Reaktionen eine Gruppe von Substanzen
in einer Epitaxiewachstums-Übergitterstruktur
systematisch gesteuert zu synthetisieren oder zusammenzubringen.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxiewachstumsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel vorzugsweise
auch ein Laser-Molekularstrahl-Epitaxiemittel zum Verdampfen von
mehreren Targets von verschiedenen festen Rohmaterialien mit einem
Excimerlaserstrahl und zum Ausbilden einer Dünnschicht einer Zusammensetzung,
wie auf jedem der Substrate angestrebt.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass eine begrenzte Tiefe der Oberfläche eines Targets vorübergehend
verdampft und vergast wird, und eine Dünnschicht mit einer Zusammensetzung,
wie angestrebt, ausgebildet wird. Es ist möglich, eine Dünnschicht
z. B. aus einer anorganischen Überstruktur
zu bilden.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxiewachstumsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel vorzugsweise auch ein Laser-Molekularstrahl-Epitaxiemittel
umfassen und die Substrate bestehen aus einem Material, das aus
der Gruppe ausgewählt
ist, die aus α-Al2O3, YSZ, MgO, SrTiO3, LaAlO3, NdGaO3, YAIO3, LaSrGaO4, NdAlO3, Y2O5, SrLaAlO4, CaNdAlO4, Si und
Verbundhalbleitern besteht. Ferner können die festen Target-Rohmaterialien
Substanzen umfassen, die dazu ausgelegt sind, ein Material zu bilden,
das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter, einem lumineszenten
Material, einem dielektrischen Material, einem ferroelektrischen
Material, einem Material mit riesigem Magnetowiderstand und einem Oxidmaterial
besteht.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass ein Target-Rohmaterial konsistent zu einer Substratoberfläche geliefert
wird, und macht die Wahrscheinlichkeit der Haftung zu fast 1 ungeachtet
einer speziellen Komponente. Diese Merkmale wirken vorteilhafterweise
bei der Bildung einer Dünnschicht
von monomolekularen Schichten auf einem Substrat, die jeweils individuell
zum Wachstum durch epitaktisches Wachstum veranlasst werden, eines
Hochtemperatur-Supraleiters, eines lumineszenten Materials, eines
dielektrischen Materials, eines ferroelektrischen Materials oder
eines Materials mit riesigem Magnetowiderstand.
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Ferner
können
in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel vorzugsweise einen
Target-Drehtisch, der so abgestützt
ist, dass er drehbar und vertikal beweglich ist, um Targets zu tragen,
und ein Maskierungsplattenmittel, das zwischen den Targets und den
Substraten angeordnet ist und so abgestützt ist, dass es drehbar und
vertikal beweglich ist, umfassen. Das Maskierungsplattenmittel kann
vorzugsweise auch mehrere Maskierungsplatten mit verschiedenen Maskierungskonfigurationen
umfassen, die der Reihe nach austauschbar sind, während ein
epitaktisches Wachstum bewirkt wird. Ferner kann das Maskierungsplattenmittel
eine Maske umfassen, die in Bezug auf die Substrate horizontal beweglich
ist und dazu ausgelegt ist, eines oder beide des Substrats und eines
gegebenen Bereichs davon mit der beweglichen Maske abzudecken und
aufzudecken.
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Diese
Konstruktion mit Hilfe einer beweglichen Maske, die zur Bewegung
veranlasst wird, um das Maskenplattenmittel mit Maskierungsmustern
zu schaffen, ermöglicht,
dass in der Zusammensetzung veränderte Übergitter-Dünnschichten
oder eine laminierte Struktur in mehreren gegebenen Bereichen eines
Substrats hergestellt werden.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel auch vorzugsweise ein Laser-Molekularstrahl-Epitaxiemittel
umfassen und das Sofortbeobachtungsmittel kann dann ein Reflex-Hochenergieelektronenstrahl-Beugungsanalysemittel
umfassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das Schaffen eines Dünnschicht-Oxidmaterials
beispielsweise mit hohem Schmelzpunkt und mehreren Komponenten, während die
Ausbildung von Schichten jeweils individuell beim epitaktischen
Wachstum überwacht
wird.
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Ferner
kann eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise ferner eine Target-Ladeschleusenkammer zum
Laden von Targets mit Materialien in diese umfassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
den Austausch von Targets in ihrem reinen Zustand, ohne sie einer
Umgebungsatmosphäre
auszusetzen.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel auch vorzugsweise ein Gasquellen-Molekularstrahl-Epitaxiemittel
umfassen, das dazu ausgelegt ist, einen strömungsgesteuerten Strom einer
gasförmigen
organometallischen Verbindung durch ein Düsenmittel auf jedes der Substrate
aufzubringen und dadurch zu diesem zu liefern.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
die Ausbildung z. B. einer metallischen oder organischen Struktur
unter Verwendung eines gasförmigen
Materials wie z. B. einer organometallischen Verbindung.
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Ferner
können
in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel vorzugsweise ein
Gasquellen-Molekularstrahl-Epitaxiemittel umfassen und das Sofortbeobachtungsmittel
kann dann ein optisches Mittel umfassen, das eine Beobachtung auf
der Basis irgendeines von einem Reflexionsgrad-Differenzspektroskopie-, Oberflächenlichtabsorptions-
und Oberflächenlicht-Interferometer-Prozess durchführt.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das Bewirken einer Epitaxie-Dünnschicht-Wachstumsbildung
einer metallischen oder organischen Struktur, während monomolekulare Schichten
für jede
individuelle Schicht beim Wachstum überwacht werden.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Substrate vorzugsweise auch Substrate sein, die aus Si oder
einem Verbundhalbleiter bestehen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das Ausbilden einer metallischen oder organischen Übergitterstruktur
von monomolekularen Schichten, deren Wachstum jeweils individuell
epitaktisch auf aus Si und Verbundhalbleiter bestehenden Substraten
bewirkt wird.
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Ferner
können
in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Substrate vorzugsweise Substrate umfassen, deren Oberflächen auf
einem atomaren Niveau geglättet
sind und deren äußerste Atomschicht
identifiziert wird.
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Diese
Konstruktion schafft die Fähigkeit, RHEED-Oszillationen
zu beobachten, die beispielsweise mit einer zusätzlichen Regelmäßigkeit
und für eine
verlängerte
Zeitdauer bestehen, und ermöglicht folglich
das Sicherstellen, dass das epitaktische Wachstum für jede individuelle
monomolekulare Schicht vor sich geht.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die gemeinsame Kammer vorzugsweise auch mit einer Substrathalter-Ladeschleusenkammer
zum Austauschen der Substrathalter in einem Zustand, in dem ein
hohes Vakuum dafür
aufrechterhalten wird, versehen sein.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
den Austausch von Substraten in ihrem reinen Zustand, ohne sie einer
Umgebungsatmosphäre
auszusetzen.
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Um
die vorstehend erwähnte
zweite Aufgabe zu erreichen, besitzt eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ferner eine Substratheizeinheit, die für einen Druckkontakt mit der
Prozessausführungskammer
ausgelegt ist, um dieselbe vakuumdicht abzudichten, wobei die Substratheizeinheit
und die Prozessausführungskammer
dann zusammen eine unabhängig
drucksteuerbare Vakuumkammer bilden.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass Substrate zwischen den Prozessausführungskammern in ihrem erhitzten
Zustand transportiert werden, und macht den Druck und die Temperatur
der Vakuumkammern unabhängig
voneinander steuerbar.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Substratheizeinheiten vorzugsweise auch gemeinsam so ausgelegt
sein, dass sie um eine Trägerplatte
gedreht und durch diese vertikal bewegt werden, so dass sie in Zusammenhang
mit den Prozessausführungskammern
der Reihe nach transportiert werden.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass sich die Substratheizeinheiten entlang eines gegebenen Weges
bewegen und drehen oder umlaufen und jeweils in Zusammenhang mit
einer gegebenen Prozessausführungskammer
transportiert werden, und ermöglicht,
dass ein Substrathalter, der mit einer Anzahl von Substraten beladen
ist, in die Prozessausführungskammer
transportiert wird. Sie ermöglicht
folglich, dass mehrere Prozessausführungskammern die Prozesse
parallel ausführen.
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Ferner
kann eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise ferner eine drehbare Welle in Form eines
röhrenförmigen Zylinders,
der mit einer elektrischen Verdrahtung und Brauchwasserverrohrung
außerhalb
der gemeinsamen Kammer verbunden ist und so ausgelegt ist, dass
er in einem Zustand, in dem das gemeinsame Kammermittel unter Vakuum
gehalten wird, gedreht und vertikal bewegt wird, eine Kühlwasserverrohrung,
die in einem Bereich von jeder der Substratheizeinheiten angeordnet
ist und mit der Brauchwasserverrohrung verbunden ist, und eine Trägerplatte,
deren Zentrum in Übereinstimmung
mit einer Drehachse der drehbaren Welle angeordnet ist, umfassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass sich eine Trägerplatte
um die Drehachse der drehbaren Welle kontinuierlich dreht, um zu
ermöglichen,
dass die Prozesse parallel ausgeführt werden, und verhindert,
dass die sich Kühlwasserverrohrung
zur Zufuhr von Kühlwasser
in die Substratheizeinheiten und die elektrische Verdrahtung für die Leistungsversorgung oder
ein Temperaturüberwachungs-Thermoelement verdrehen.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
sind auch an der drehbaren Welle vorzugsweise ein Gleitring, der
dazu ausgelegt ist, ein oberes Ende der drehbaren Welle vakuumdicht
abzudichten und dieses obere Ende mit der externen elektrischen Verdrahtung
elektrisch zu verbinden, ein Kühlwasserabdichtungsmittel
zur Verbindung mit der externen Brauchwasserverrohrung und ein Kühlwasserleitungsmittel,
das wasserdicht mit dem Kühlwasserabdichtungsmittel
verbunden ist und durch das die drehbare Welle koaxial geführt ist,
um zu ermöglichen,
dass sich die Welle in einem Gleitkontakt damit dreht, angebracht.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass die Trägerplatte
mittels der drehbaren Welle vertikal bewegt und gedreht wird, ohne
eine Verdrehung einer Kühlwasserverrohrung
oder der elektrischen Verdrahtung zu erzeugen.
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Ferner
kann in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung das Kühlwasserleitungsmittel
vorzugsweise eine innere und eine äußere Kühlwasserleitung umfassen, die
koaxial mit der drehbaren Welle angeordnet sind und einen einzelnen
Kühlwasserdurchlass
bilden.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das Liefern von Kühlwasser,
während
die drehbare Welle, die sich vertikal bewegt und dreht, in ihrem
vakuumdicht abgedichteten Zustand gehalten wird.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann eine Substratheizeinheit vorzugsweise auch einen Substratdrehmechanismus
zum Drehen des Substrathalters umfassen.
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Diese
Konstruktion verbessert die Temperaturgleichmäßigkeit über einem Substrat, indem ermöglicht wird,
dass sich der Substrathalter dreht.
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Ferner
können
in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Substratheizeinheiten vorzugsweise drehbar sein und
jeweils einen Substratdrehmechanismus umfassen, der eine Drehung
von einer Antriebskraft vorsieht, um die Substratheizeinheiten umlaufen
zu lassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass eine einzelne Antriebskraft verwendet wird, um sowohl die Substratheizeinheiten
zu drehen als auch den Substrathalter zu drehen.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann eine Substratheizeinheit vorzugsweise auch einen Substratdrehmechanismus
zum Drehen des Substrathalters in einer Vakuumkammer umfassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass eine Substratheizeinheit und eine Bearbeitungskammer zusammen
eine Vakuumkammer bilden, wobei der Druck und die Temperatur darin
steuerbar sind, und dennoch ermöglicht
wird, dass der Substrathalter gedreht wird.
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Ferner
können
in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Prozessausführungskammern
vorzugsweise eine Glühkammer
zum Glühen von
durch den Substrathalter gehaltenen Substraten, eine Vorheizkammer
zum Vorheizen der durch den Substrathalter gehaltenen Substrate
auf eine gegebene Temperatur in einem Hochvakuum und eine Wachstumskammer
zum Ausbilden einer Dünnschicht
auf dem durch den Substrathalter gehaltenen Substrat und eine Ätzkammer
zum Ätzen
eines Substrats mit der Dünnschicht,
die dazu veranlasst wird, zu wachsen, und darauf ausgebildet wird,
umfassen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
die Durchführung
von mehreren Prozessen nacheinander parallel.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann der Substrathalter vorzugsweise auch mit Öffnungen jeweils in Form eines
Schlitzes ausgebildet sein, die so angeordnet sind, dass sie ein oder
mehrere Substrate umgeben.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
die Verringerung eines Entweichens der Menge an Wärme vom Substrat
und ermöglicht
folglich, dass das Substrat gleichmäßig und effizient erhitzt wird.
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Ferner
kann in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung der Substrathalter vorzugsweise in Form einer Scheibe
vorliegen, die innen hohl ist und deren Seitenwand mit einer ringförmigen Nut
ausgebildet ist, die ermöglicht,
dass der Substrathalter an einer Substratheizeinheit gehalten wird.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das leichte Laden des Substrathalters in die Substratheizeinheit.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann der Substrathalter vorzugsweise auch einen Halterring mit einer
abgestuften Kante innen, dessen Seitenwand mit einer ringförmigen Nut ausgebildet
ist, die ermöglicht,
dass der Substrathalter an einer Substratheizeinheit gehalten wird,
und eine Halterplatte in Form einer Scheibe, die auf der abgestuften
Kante des Halterrings sitzen soll, um ein oder mehrere Substrate
abzustützen,
umfassen, wobei die Scheibenhalterplatte aus einem Material ausgebildet
ist, das einen hohen Wärmeabsorptionswirkungsgrad
auf ihrer Seite, die der Substratheizeinheit zugewandt ist, aufweist.
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Diese
Konstruktion, die ermöglicht,
dass die erhitzte Halterplatte nur mit der abgestuften Kante des
Halterrings in Kontakt steht, ermöglicht die Verringerung des
Entweichens der Menge an Wärme durch
Wärmeleitung
und verbessert daher die Temperaturgleichmäßigkeit über der Halterplatte.
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In
einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Halterplatte, die aus einem Material ausgebildet ist, das
einen hohen Wärmeabsorptionswirkungsgrad
aufweist, vorzugsweise ferner aus einer Inkonel-Platte mit einem
bei hoher Temperatur oxidierten Oberflächenbereich bestehen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht
das effektive Erhitzen der Halterplatte. In einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen die Substratheizmittel auch eine Lampenheizeinrichtung,
wobei der Substrathalter und die Halterplatte so angeordnet sind, dass
sie in einer Brennposition der Lampenheizeinrichtung liegen.
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Diese
Konstruktion ermöglicht,
dass Wärmestrahlen,
die auf den Substrathalter und die Halterplatte fokussiert werden,
effektiv erhitzt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den hier beigefügten
Zeichnungen besser verstanden, welche bestimmte erläuternde
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen. In diesem Zusammenhang sollte
beachtet werden, dass solche Ausführungsformen, die in den begleitenden
Zeichnungen hiervon dargestellt sind, in keiner Weise die vorliegende
Erfindung begrenzen sollen, sondern eine Erläuterung und ein Verständnis derselben
erleichtern sollen.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
eine Erscheinungsbildansicht, die eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ist
eine Erscheinungsbildansicht, die einen wesentlichen Abschnitt einer
Wachstumskammer in einer kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine unabhängige Vakuumkammer
mit einer Substratheizeinheit und einer Wachstumskammer darstellt;
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4 ist
eine detaillierte Querschnittsansicht, die eine Substratheizeinheit
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, die deren Zustand darstellt,
in dem eine Trägerplatte
zu ihrem unteren Ende in Druckkontakt mit einer Trennwand bewegt
wurde;
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5(a) und 5(b) sind
eine perspektivische Erscheinungsbildansicht bzw. eine Querschnittsansicht,
die einen Substrathalter darstellen;
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6(a) und 6(b) sind
eine perspektivische Erscheinungsbildansicht bzw. eine Querschnittsansicht,
die eine Modifikation dieses Substrathalters darstellen;
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7(a) und 7(b) sind
eine perspektivische Erscheinungsbildansicht bzw. eine Querschnittsansicht,
die einen alternativen Substrathalter darstellen;
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8 ist
eine Querschnittsansicht, die eine drehbare Welle gemäß der zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt;
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9 ist
eine detaillierte Ansicht, die eine Rohr- oder Leitungsanordnung
in der drehbaren Welle gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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10 ist
eine Erscheinungsbildansicht einer Vorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung davon; und
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11 ist
eine detaillierte Ansicht, die eine Substratheizeinheit gemäß deren
dritter Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beste Arten zur Ausführung der
Erfindung
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf geeignete
Ausführungsformen
hiervon beschrieben, die in den Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung nachstehend in Bezug auf bestimmte
erläuternde
Ausführungsformen
davon dargelegt wird, ist es für
einen Fachmann leicht als offensichtlich zu erkennen, dass viele
Abwechslungen davon, Auslassungen davon und Zusätze dazu vorgenommen werden
können,
ohne vom Wesentlichen des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Folglich
sollte es selbstverständlich
sein, dass die Erfindung nicht auf die nachstehend dargelegten speziellen
Ausführungsformen
davon begrenzt sein soll, sondern alle möglichen Ausführungsformen
davon umfassen soll, die innerhalb des Schutzbereichs in Bezug auf
die speziell in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegten Merkmale hergestellt werden können, und alle Äquivalente
davon einschließt.
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Eine
ausführliche
Beschreibung wird zuerst in Bezug auf eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gegeben, die für eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß dieser
typisch ist.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Obwohl eine kombinatorische
Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung in 1 dargestellt
ist, um eine Dünnschicht-Wachstumsbewirkungsvorrichtung
zu bilden, kann sie gegen eine kombinatorische Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung
ausgetauscht werden.
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Eine
kombinatorische Molekularschicht-Epitaxiebildungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann als zwei alternative Formen verkörpert sein, die sich teilweise
in der Konfiguration in Abhängigkeit
von den zugeführten
Rohmaterialien und von den herzustellenden Materialkomponenten unterschieden,
z. B. als kombinatorische Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung,
in der ein Rohmaterial im festen Zustand durch einen Impulslaserstrahl
vergast wird, um zu ermöglichen,
dass Molekularschichten epitaktisch für jede der Molekularschichten
wachsen, und die folglich geeignet ist, um eine anorganische Überstruktur
kombinatorisch zu synthetisieren, und eine kombinatorische Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung,
die unter Verwendung eines Rohmaterials in einem gasförmigen oder vergasten
Zustand, z. B. einer organometallischen Verbindung, geeignet ist,
um eine metallische oder organische Überstruktur zu bilden, indem
ermöglicht wird,
dass Molekularschichten epitaktisch für jede der Molekularschichten
wachsen. Die zwei Vorrichtungsformen können zueinander identisch sein,
jedoch für
verschiedene Weisen der Zuführung
von Rohmaterialien.
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Zuerst
wird eine Erläuterung
in Bezug auf eine kombinatorische Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung
gegeben.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst eine kombinatorische
Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
eine Vakuumkammer 2, eine Ultrahochvakuumpumpe 4 wie
z. B. eine Turbomolekularpumpe, eine Ionenpumpe oder eine Kryopumpe,
zum Auspumpen der Vakuumkammer 2 über ein Absperrventil (nicht
dargestellt) auf ein Hochvakuum, einen drehbaren Substrathalter 6 zum Halten
von mehreren Substraten 5 und eine Lampenheizeinrichtung 8,
die in einer Rückseite
des Substrathalters 6 angeordnet ist, um die Substrate
zu erhitzen.
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Die
Vorrichtung umfasst auch eine drehbare Welle 9, die den
Substrathalter 6 abstützt,
drehbare Target-Tische 10 und 10, die mit dem
Substrathalter 6 nebeneinander gestellt sind oder diesem
gegenüberliegen,
mehrere verschiedene feste Rohmaterial-Targets 12, die
auf diese Target-Tische 10 und 10 geladen sind,
Lichtquellen 14 und 14 für Excimerlaserstrahlen 13 und 13 zum
Vergasen dieser Rohmaterial-Targets 12, Linsen 15 und 15 zum
Fokussieren dieser Laserstrahlen, Fenster 16 und 16 zum
Einführen
der Laserstrahlen in die Vakuumkammer 2, eine Elektronenkanone 18 für eine Reflex-Hochenergie-Elektronenbeugungs-Analyse
(nachstehend als "RHEED"-Analyse bezeichnet)
für die
unverzügliche oder
sofortige [in der Hinsicht, dass sie in einem speziellen Moment
stattfindet] Überwachung
des epitaktischen Wachstums einer Molekularschicht auf einem Dünnschichtausbildungssubstrat
und einen Bildschirm 17 zur RHEED-Analyse.
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Eine
Steuereinheit ist ferner enthalten, jedoch nicht gezeigt, die verwendet
wird, um die Ruhepositionen und Drehwinkelpositionen des Substrathalters 6 und
der Target-Tische 10 und 10 zu steuern. Die Steuereinheit
ist auch dazu vorgesehen, spezielle Arten von Targets für und in
Verbindung mit einem speziellen Substrat auszuwählen, auf dem ein Wachstum
bewirkt werden soll, und ferner um eine Impulsdauer des gepulsten
Bestrahlungsexcimerlasers zu steuern.
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Die
Ultrahochvakuumpumpe 4 sollte wünschenswerterweise eine Fähigkeit
haben, die Vakuumkammer 2 auf einem Druck in der Größenordnung von
10-10 Torr zu halten. Die Vakuumkammer 2 ist auch
so ausgelegt, dass ihr Druck durch Einstellung der Öffnung eines
Ventils (nicht dargestellt) steuerbar ist. Es sollte ferner beachtet
werden, dass die Ultrahochvakuumpumpe mit einer Drehpumpe als Unterstützungspumpe
versehen ist.
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Ein
Substrat 5 wird, wenn es in einer Position liegt, in der
auf diesem eine Dünnschicht
wächst, durch
die Lampenheizeinrichtung 8 erhitzt und es wird anderswo
durch eine Vorheiz- oder Nachheiz-Lampenheizeinrichtung 7 erhitzt.
Diese Lampen sind in der Umgebung des Substrathalters 6 angeordnet.
Wahlweise kann eine Lampenheizeinrichtung im Substrathalter selbst
angeordnet sein, in welchem Fall sie einstellbar gemacht ist, um
ein Substrat in einer Dünnschicht-Wachstumsposition
auf eine Wachstumstemperatur zu erhitzen und es anderswo auf eine
gegebene Temperatur zu erhitzen.
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Obwohl
in der in 1 gezeigten Ausführungsform
von der einzelnen Vakuumkammer für
den Zweck des Bewirkens eines Dünnschichtwachstums und
für den
Vorheiz- oder Nachheizzweck allgemeiner Gebrauch gemacht wird, können einzeln
eine Kammer zum Bewirken eines Wachstums von Dünnschichten auf Substraten
und eine Kammer zum Vorheizen oder Nachheizen der Substrate separat
und unabhängig
als benachbart zueinander angeordnet vorgesehen sein.
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Die
Vakuumkammer ist zusätzlich
dazu, dass sie ein Atmosphärenluft-Einlassmittel zum
Wiederherstellen auf einen normalen Druck aufweist, einem Gaszufuhrsystem
mit Düsen 19 zum
Zuführen von
Sauerstoff, Stickstoff und anderen reaktiven Gasen zum Bewirken
eines epitaktischen Wachstums von auf Hochtemperatur-Supraleiter
bezogenen Oxiden zugeordnet. In diesem Zusammenhang sollte beachtet
werden, dass das Gaszufuhrsystem nur grob in 1 dargestellt
ist und normalerweise seine Operationen durch Massendurchflussmesser
steuerbar sind und es auch in Zusammenhang mit dem Vakuumpumpensystem
steuerbar ist.
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Zur
weiteren Erwähnung
kann für
die Substrate von α-Al2O3, YSZ, MgO, SrTiO3, LaAlO3, NdGaO3, YAlO3, LaSrGaO4, NdAlO3, Y2O5, SrLaAlO4, CaNdAlO4, Si und
Verbundhalbleitern Gebrauch gemacht werden.
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Um
RHEED-Oszillationen auf der Basis eines bewirkten Molekularschicht-Epitaxiewachstums zu
erfassen und dennoch zu ermöglichen,
dass das Molekularschicht-Epitaxiewachstum fortfährt, während die RHEED-Oszillationen überwacht
werden, ist es im Übrigen äußerst wichtig,
die Oberfläche
eines Substrats auf einem atomaren Niveau zu glätten und eine äußerste Atomschicht
zu identifizieren.
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Hinsichtlich
eines Perovskit-Oxids, das durch eine allgemeine Formel von ABO3 ausgedrückt wird,
in dem eine Atomschicht aus AO und eine Atomschicht aus BO2 wiederholt sind, die, wenn AO, BO2 oder sowohl AO als auch BO2 gemeinsam
existieren, die oberste Oberfläche
bildet, macht beispielsweise einen Unterschied in der Art, in der
eine Schicht darauf wächst.
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Die
oberste Oberfläche
eines polierten SrTiO3-Substrats besteht
hauptsächlich
aus TiO2 mit einer Oberflächenrauheit
von mehreren Nanometern. Das Nassätzen eines solchen SrTiO3 (100) Substrats in einer HF/NH3-Puffer-lösung (pH
= 4,5) macht seine Oberfläche
auf einem atomaren Niveau flach und ermöglicht, dass seine äußerste Atomschicht
aus einer TiO2-Schicht gebildet ist.
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Ein
Substrat, dessen Oberfläche
auf einem atomaren Niveau geglättet
ist, eignet sich zur Erfassung von RHEED-Oszillationen, die durch
ein Wachstum einer einzelnen Molekularschicht verursacht werden.
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Folglich
verwendet diese Ausführungsform vorzugsweise
ein Substrat, dessen Oberfläche
auf einem atomaren Niveau geglättet
ist und dessen äußerste Atomschicht
spezifiziert wird.
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Das
feste Target-Material kann ein beliebiges Material sein, welches
sich auch immer in einem festen Zustand zur Verwendung befindet.
Solche verwendbaren Materialien umfassen Hochtemperatur-Supraleiter
wie z. B. YBa2Cu3O7, lumineszente Materialien wie z. B. ZnO,
(ZnMg)O, (ZnCd)O, dielektrische oder ferroelektrische Materialien
wie z. B. SrTiO3, BaTiO3,
PZT und (SrBa)TiO3 und Materialien mit riesigem
Magnetowiderstand wie z. B. (LaSr)MaO3.
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Ferner
kann von einem Ein- oder Mehrkomponentenoxid für die Zufuhr jeder einzelnen
Komponente Gebrauch gemacht werden.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf einen Vorgang der Ausbildung einer Dünnschicht mit
einer kombinatorischen Laser-Molekularstrahl-Epitaxiebildungsvorrichtung gegeben.
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Der
Druck in der Vakuumkammer 2 wird beispielsweise so gesteuert,
dass er in der Größenordnung
von 10-4 Torr liegt, ein Substrat 5 wird
durch die Lampenheizeinrichtung 8 auf eine Wachstumstemperatur
von z. B. 850°C
erhitzt und der Substrathalter 6 wird rotiert oder gedreht,
um das Substrat 5 in einer Wachstumsposition anzuordnen.
Die Target-Tische 10 und 10 werden rotiert oder
gedreht, um Targets 12 und 12 in gegebenen Positionen
anzuordnen, wo sie dem Substrat gegenüberliegen. Die Targets 12 und 12 werden
mit Excimerlaserstrahlen 13 und 13, die z. B.
gepulst sind, für
eine gegebene Zeitdauer bestrahlt.
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Die
Excimerlaserstrahlen, die auf die Targets auftreffen, führen auf
ihren Oberflächen
sowohl einen abrupten Aufbau von Wärme als auch photochemische
Reaktionen herbei und verursachen, dass Rohmaterialien explosiv
vergast werden, was auf dem Substrat eine Dünnschicht bildet, die wie angestrebt zusammengesetzt
ist. Dann der RHEED-Analysator, der in der Lage ist, an einem Spiegelreflexionspunkt davon
Oszillationen zu beobachten, die einer Wiederholung einer Kernbildung
und Abflachung für
jede Schicht folgen, wobei streng eine Dicke der Schicht überwacht
wird, die für
jede einzelne monomolekulare Schicht selbststeuerbar ist.
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Nach
dem epitaktischen Wachstum einer Substanz, die die Dünnschicht
mit der monomolekularen Schicht auf dem Substrat 5 bildet,
werden die Target-Tische 10 und 10 gedreht,
um die anderen Targets 12 und 12 in diesen gegebenen
Positionen anzuordnen, um eine Dünnschicht
einer Überstruktur einer
anderen Substanz zu bewirken.
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Nach
dem Herstellen eines künstlichen
Kristalls oder Übergitters
mit einer neuen Gitterstruktur auf dem einen gegebenen Substrat
wird der Substrathalter 6 zur Bearbeitung eines nächsten Substrats gedreht.
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Wenn
eine Epitaxiewachstumsschicht aus einem Supraleiter besteht, wird
der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer 2 eines
Reaktionssystems erhöht,
um erforderliche Oxidationsbedingungen zu erfüllen. In diesem Zusammenhang
sollte beachtet werden, dass diese Ausführungsform der Erfindung eine
erweiterte Druckverringerbarkeit bietet und ermöglicht, dass der Sauerstoffpartialdruck
in einem erweiterten Bereich gesteuert wird.
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Folglich
ermöglicht
eine kombinatorische Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung, dass [mehrere Rohmaterialien] × [mehrere Substrate] × [Reaktionsparameter
wie z. B. Temperatur, Druck und Fluss aus der Gasphase] unabhängig voneinander
gesteuert oder ausgewählt
werden und in einer beliebigen gewünschten Kombination zusammengestellt
werden, und ist daher in der Lage, eine Gruppe von Substanzen zu
erzeugen, die in einer einzelnen Reihe von Reaktionen zu einer systematisch
gesteuerten Struktur zusammengebracht oder synthetisiert werden.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf eine kombinatorische Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung
gegeben.
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Dazu
wird auf 1 Bezug genommen, die verwendet
wurde, um eine kombinatorische Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung,
wie vorstehend beschrieben, darzustellen, die jedoch eine Struktur
aufweist, die einer Gasquellenspezies einer Ausführungsform der Erfindung ebenso
stark gemeinsam ist.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst eine kombinatorische
Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
eine Vakuumkammer 2 und ein Vakuumauspumpsystem mit einer
Ultrahochvakuumpumpe 4 wie z. B. einer Turbomolekularpumpe,
einer Ionenpumpe oder einer Kryopumpe zum Auspumpen der Vakuumkammer 2 über ein
Absperrventil (nicht dargestellt) auf ein Hochvakuum.
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Die
Vorrichtung umfasst auch einen drehbaren Substrathalter 6 zum
Halten von mehreren Substraten 5 und eine Lampenheizeinrichtung 8,
die in einer Rückseite
des Substrathalters 6 angeordnet ist, um die Substrate
zu erhitzen, eine drehbare Welle 9, die den Substrathalter 6 und
die Lampenheizeinrichtung 8 abstützt, und Düsen 19, die strömungsgesteuerte
Ströme
von mehreren reaktiven Gasen als Rohmaterialien wie z. B. organometallische
Verbindungen auf ein Substrat aufbringen. Die Steuerung der Gasströmungen,
ihre Einleitungs-Ein/Aus-Vorgänge und/oder
Einleitungszeitpunkte können
mit der Steuerung der Vakuumauspumpung verbunden bewirkt werden.
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In
der kombinatorischen Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung,
in der Rohmaterialen organometallische Gasquellen verbindungen sind,
und Adsorptionsoberflächenreaktionen steuern,
ist es wirksam, einen Laserstrahl als Sofortbeobachtungsmittel zum
sofortigen Überwachen
des epitaktischen Wachstums einer einzelnen Molekularschicht zu
verwenden und folglich die wachsende Schicht mit einem Laserstrahl
zu bestrahlen und Änderungen
der Intensität
des Laserstrahls zu überwachen.
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Zur Überwachung
des epitaktischen Wachstums jeder einzelnen Molekularschicht kann
beispielsweise ein Reflexionsgrad-Differenz-Spektroskopieverfahren,
in dem linear polarisiertes Licht zum Einfall auf ein Substrat in
einem rechten Winkel zu diesem verwendet wird und die Anisotropie
einer Oberflächenstruktur
der Schicht im Wachstum aus Charakteristiken des reflektierten Lichts
erfasst wird, oder ein Oberflächenlichtabsorptions-
oder ein Oberflächenlicht-Interferometer-Verfahren,
das Änderungen
der Intensität
des reflektierten Lichts aus Änderungen
der Lichtabsorption oder optischen Phase bestimmt, die durch an
der Oberfläche
adsorbierte Atome oder Moleküle
verursacht werden, verwendet werden.
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Zur
weiteren Erwähnung
kann für
die Substrate von einem Verbundhalbleitermaterial Gebrauch gemacht
werden, das aus Elementen von z. B. Gruppen III bis V, Gruppen II
bis V, Gruppen I bis VII, Gruppen II bis IV und Gruppen IV bis VI
in irgendeiner von einer Vielfalt von möglichen Kombinationen besteht. Ferner
können
die Substrate anstelle eines solchen Verbundhalbleiters Si-Substrate
(Siliciumsubstrate) sein.
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Eine
kombinatorische Gasquellen-Organometallmolekularstrahl-Epitaxievorrichtung
ermöglicht,
dass monomolekulare Schichten epitaktisch für jede der Schichten wachsen,
die bei der Überwachung
wachsen, und ist daher in der Lage, eine Gruppe von Substanzen zu
erzeugen, die in einer einzelnen Reihe von Reaktionen zu einer hier
wieder systematisch gesteuerten Struktur zusammengebracht oder synthetisiert
werden.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
der vorliegenden Erfindung gegeben, die in einer zweiten Ausführungsform
davon implementiert wird.
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2 ist
eine Erscheinungsbildansicht, die eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Eine
kombinatorische Molekularepitaxievorrichtung 20, die die
zweite Ausführungsform
darstellt, umfasst eine gemeinsame Kammer 22 und mehrere Bearbeitungskammern,
die eine Wachstumskammer 24, eine Glühkammer 26, eine Vorheizkammer 28 und
eine Substrathalter-Ladeschleusenkammer 34 umfassen. Diese
Kammern 22, 24, 26, 28 und 30 sind
jeweils individuell vakuumdicht abgeschirmt oder abgedichtet, wobei
Vakuumkammern gebildet werden, die unabhängig voneinander auf ein Hochvakuum
ausgepumpt werden.
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In
der gemeinsamen Kammer 22 werden die Bearbeitungskammern,
die durch die Wachstumskammer 24, die Glühkammer 26 und
die Vorheizkammer 28 gebildet sind, vakuumdicht abgeschirmt
oder abgedichtet durch eine Trägerplatte 38 und
beim Transport einer daran angebrachten Substratheizeinheit 36 in
jede von diesen Bearbeitungskammern 24, 26 und 28 mit
dieser, und dann Verriegeln derselben.
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Die
Wachstumskammer 24 stellt eine Stufe bereit, in der eine
Dünnschicht
zum Wachsen auf einem Substrat veranlasst wird, die Glühkammer 26 eine
Stufe, in der ein Substrat mit einer ausgebildeten Dünnschicht
geglüht
wird, und die Vorheizkammer 28 eine Stufe, in der ein Substrat
in einer Hochvakuumatmosphäre
gereinigt und vorgeheizt wird.
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Obwohl
die vorliegenden Ausführungsformen
so gezeigt und beschrieben sind, um drei Prozesse nacheinander in
diesen Stufen auszuführen, ist
zu sehen, dass zusätzliche
Stufen wie z. B. zum Ausführen
von Prozessen zum Ätzen
und Dotieren eines gegebenen Bereichs der Substrate. Dann werden
fünf unabhängige Vakuumkammern
eingeschlossen.
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Das
Zeichen "TMP" in 2 steht
für eine Turbomolekularpumpe
typischerweise mit einer Drehpumpe als Unterstützungspumpe, durch die jede
der Bearbeitungskammern auf ein Ultrahochvakuum über eine Absperrventileinheit
(nicht dargestellt) ausgepumpt wird.
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Jede
der Vakuumkammern besitzt auch einen Innendruck, der durch eine Ventileinheit
(nicht dargestellt) mit einer einstellbaren Ventilöffnung steuerbar
ist, und kann mit einer weiteren Ventileinheit und einem Massendurchflussmesser
(nicht dargestellt) versehen sein, um zu ermöglichen, dass Sauerstoff oder
trockener Stickstoff in einer eingestellten Strömung eingelassen wird.
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Die
gemeinsame Kammer 22 ist so hergestellt, dass sie mit der
Wachstumskammer 24, der Glühkammer 26 und der
Vorheizkammer 28 über Öffnungen 42, 42, 42,
die in einer Trennwand 39 ausgebildet sind, in Verbindung
steht, von denen jede um sich eine ringförmige Nut aufweist, in die
ein O-Ring 41 eingefügt
ist. Ferner sind die Wachstumskammer 24, die Glühkammer 26 und
die Vorheizkammer 28 jeweils vakuumdicht abgedichtet oder
abgeschirmt und werden fest an der Trennwand 39 gehalten.
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In 2 sind
drei Substratheizeinheiten 36 in der gemeinsamen Kammer 22 gezeigt,
die jeweils in einem zylindrischen Gehäuse 35 aufgenommen sind,
das auch einen Substrathalter 48 und eine Aufspannvorrichtung 45 dafür sowie
eine Lampenheizeinrichtung 8 der Substratheizeinheit 36 aufnimmt (siehe 4).
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Diese
Substratheizeinheiten 36 sind jeweils an einem mit Flansch
versehenen oberen Ende 31 des zylindrischen Gehäuses 35 an
der Trägerplatte 38 vakuumdicht
abgedichtet oder abgeschirmt und von dieser getragen sowohl für die Drehbeförderung als
auch vertikale Bewegung durch eine drehbare Welle 43.
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Die
drehbare Welle 43 ist so hergestellt, dass sie sich durch
einen Drehantriebsmechanismus 60 dreht und sich durch einen
Translationsbewegungs-Antriebsmechanismus 70 vertikal
bewegt, beides in einem Zustand, in dem die gemeinsame Kammer 22 vakuumdicht
abgeschirmt oder abgedichtet bleibt.
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Das
untere Ende des Gehäuses 35 ist
ebenso mit einem Flansch 33 versehen, der, wenn die Trägerplatte 38 ihre
Endposition erreicht, mit dem O-Ring 41 (4),
der in die ringförmige
Nut um die Öffnung 42 in
der Trennwand 39 eingefügt
ist, in Druckkontakt gebracht wird, um das Gehäuse 35 vakuumdicht
abgeschirmt oder abgedichtet, isoliert von der gemeinsamen Kammer 22 zu
machen. Dann sind die Substratheizeinheiten 36, 36 und 36 und
die Bearbeitungskammern, die aus der Wachstumskammer 24,
der Glühkammer 26 und
der Vorheizkammer 28 bestehen, so beschaffen, dass sie
ausgepumpt werden und ihr Innendruck gesteuert wird und unabhängig voneinander
auf jeweilige gegebene Temperaturen erhitzt werden.
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Wie
in 2 gezeigt, ist die Substrathalter-Ladeschleusenkammer 34 über ein
Absperrventil 46 an der gemeinsamen Kammer 22 angebracht
und weist ein Lagergehäuse 49 auf,
das darin angeordnet ist und das mehrere Substrathalter 48 trägt, die
jeweils mit Substraten 5 beladen sind. Die Substrathalter-Ladeschleusenkammer 34 ist
auch mit einem Klemmenelement 52 versehen, das von außen betätigbar ist,
um einen Substrathalter 48 aus der Kammer 34 in
die gemeinsame Kammer 22 in dem Zustand, in dem die Kammer 34 auf
einem Hochvakuum gehalten wird, zur Aufnahme durch eine Aufspannvorrichtung 45 in
der Substratheizeinheit 48 zu überführen.
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Die
Wachstumskammer 24 ist selbst identisch zu jener in der
in 1 gezeigten kombinatorischen Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung konstruiert,
außer
dass nur eine Lampenheizeinrichtung hier dafür vorgesehen ist.
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Ferner
sollte beachtet werden, dass in einer Laser-Molekularstrahl-Epitaxie, wie in 2 gezeigt, eine
Target-Ladeschleusenkammer 32 über ein Absperrventil 47 an
der Wachstumskammer 24 befestigt ist und darin eine Platte 54 angeordnet
ist, die mehrere Targets 12 trägt. Die Target-Ladeschleusenkammer 32 ist
einem Klemmenelement 56 zugeordnet, das von außen betätigbar ist,
um ein Target 12 aus der Kammer 32 auf eine Target-Platte
(nicht dargestellt) in dem Zustand, in dem die Kammer 32 auf
einem Hochvakuum gehalten wird, zu überführen.
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Als
nächstes
werden Details einer Wachstumskammer erwähnt.
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3 ist
eine Erscheinungsbildansicht, die wesentliche Abschnitte einer Wachstumskammer
in einer kombinatorischen Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung
darstellt, die eine unabhängige
Vakuumkammer darstellt, die aus einer Substratheizeinheit und einer
Wachstumskammer konstruiert ist.
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Wie
in 3 gezeigt, ist eine Vakuumkammer 100 mit
einer Substratheizeinheit 36 und einer Wachstumskammer 24 eingerichtet,
wobei die Substratheizeinheit 36 mit einer Trennwand (Darstellung weggelassen)
in Druckkontakt gebracht ist. Mehrere Substrate 5 sind
als durch einen Substrathalter 48 gehalten gezeigt, welcher
drehbar getragen ist und an einer Substrathalter-Drehantriebseinheit 84 (in 2 gezeigt)
montiert ist.
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Die
Wachstumskammer 24 ist darin mit einem drehbaren Target-Tisch 10,
der gegenüber
dem Substrathalter 48 angeordnet ist, und einer Maskierungsplatte 102,
die zwischen dem Substrathalter 48 und dem Target-Tisch 10 angeordnet
ist, versehen. Die Maskierungsplatte 102 weist verschiedene
darin ausgebildete Maskierungsmuster, z. B. von acht Typen, auf.
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Obwohl
die Maskierungsplatte als scheibenförmig gezeigt ist, kann sie
als Alternative in Form einer Blende mit Blendenplatten, die von
gegenüberliegenden
Seiten beweglich sind, vorliegen. Dann wird eine solche Maskierungsplatte
so getragen, dass sie sowohl drehbar als auch vertikal auf und ab
bewegbar ist.
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Mehrere
Targets aus verschiedenen festen Rohmaterialien befinden sich auf
dem Target-Tisch 10. Die Vorrichtung umfasst ferner eine
Lichtquelle oder einen Laser 14 für einen Excimerlaserstrahl 13 zum
Verdampfen eines Target-Materials 12,
eine Linse 15 zum Fokussieren des Laserstrahls, ein Fenster 16
zum Einlassen des Laserstrahls in die Vakuumkammer 100,
eine Elektronenkanone 18 für eine Reflex-Hochenergie-Elektronenbeugungs-Analyse (nachstehend
als "RHEED"-Analyse bezeichnet)
und einen Bildschirm 17 für RHEED.
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Der
Target-Tisch 10 und der Maskierungstisch 102 werden
jeweils so getragen, dass sie sowohl drehbar als auch vertikal auf
und ab bewegbar sind, in dem Zustand des Haltens des Drucks der Wachstumskammer 24,
und sind mit Target-Tisch-Dreh- und -Translationsbewegungs-Antriebsmechanismen
bzw. Maskierungsplatten-Dreh- und -Translationsbewegungs-Antriebsmechanismen versehen.
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Insbesondere
für den
Maskierungs-Drehantriebsmechanismus wird von einem Schrittmotor
Gebrauch gemacht, der mit Präzision
angetrieben wird, um zu ermöglichen,
dass eine Dünnschicht
mit einer gesteuerten Schichtdicke in einem vorgewählten Bereich
wächst.
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Die
Wachstumskammer 24 ist auch mit einem Atmosphärenluft-
oder Stickstoff-Einlasssystem zum Wiederherstellen auf einen normalen
Druck und einem Gaszufuhrsystem für Sauerstoff und reaktive Gase,
die auf das Substrat durch Düsen
zugeführt werden,
wenn eine Hochtemperatur-Supraleiter-Oxidepitaxie bewirkt werden soll (kein
System gezeigt), versehen.
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Ferner
ist die Ruheposition und die Winkelverlagerung von jedem des Substrathalters 48,
der Maskierungsplatte 102 und des Target-Tischs 10,
die rotiert oder gedreht werden, durch eine nicht gezeigte Steuereinheit
steuerbar gemacht. Insbesondere ist veranlasst, dass die Steuereinheit
auf ihre jeweiligen Drehantriebsmechanismen einwirkt, um zu ermöglichen,
dass ein spezieller Typ von Target-Material und ein spezieller Typ
von Maskierungsmuster 104 für ein gegebenes Substrat ausgewählt werden,
auf dem und in einer gegebenen Position von welchem eine Dünnschicht
wachsen soll, um zu ermöglichen,
dass ein epitaktisches Wachstum für jede einzelne Molekularschicht
sofort durch RHEED-Analyse überwacht wird,
und um zu ermöglichen,
dass die Dauer eines gepulsten Bestrahlungs-Excimerlaserstrahls
gemäß einer
solchen Sofortüberwachung
gesteuert wird.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
eines Betriebs der kombinatorischen Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung
gemäß der beschriebenen zweiten
Ausführungsform
im Prozess der Ausbildung einer Dünnschicht auf einem Substrat
gegeben.
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Mit
Bezug auf 3 wird der Druck in der Vakuumkammer 100 auf
ein Hochvakuum in der Größenordnung
von z. B. 10-4 Torr gesteuert. Ein gegebenes
Substrat 5 wird in einer Wachstumsposition durch Drehen
des Substrathalters 6 angeordnet, oder während es
durch die Lampenheizeinrichtung 8 auf eine Wachstumstemperatur,
z. B. 850°C,
erhitzt wird. Um diesem speziellen Substrat zu entsprechen, wird
ein spezielles Maskierungsmuster durch den Maskierungsplatten-Drehantriebsmechanismus
ausgewählt.
Ein Target 12 wird so, dass es dem Substrat in seiner Wachstumsposition
gegenüberliegt,
in einer gegebenen entsprechenden Position durch Drehen des Target-Tischs 10 angeordnet
und das Target 12 wird dann mit einem Excimerlaserstrahl,
der z. B. gepulst ist, für
eine vorbestimmte Zeitdauer bestrahlt. Nachbearbeitungsprozesse
sind dieselben wie in der vorher beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Der
vorstehend beschriebene Vorgang kann verwendet werden, um eine gegebene
kombinatorische Synthese an mehreren Substraten mit einem festen
Maskierungsmuster durchzuführen.
Wenn mehrere Dünnschichten,
die in der Zusammensetzung verschieden sind, auf mehreren gegebenen
Bereichen eines Substrats ausgebildet werden sollen, oder Übergitter
mit veränderlichen
laminaren Strukturen auf einem Substrat hergestellt werden sollen, kann
die Maskierungsplatte nacheinander verlagert werden, um verschiedene
Maskierungsmuster in Position zu bringen, um gegebene Bereiche auf
dem Substrat abzudecken und aufzudecken. Ferner ist die vorstehend
erwähnte
Maskierung unter Verwendung der Blendenplatten zum Abdecken und
Aufdecken gegebener Bereiche auf dem Substrat möglich.
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Die
kombinatorische Laser-Molekularstrahl-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ermöglicht
folglich, dass [mehrere Rohmaterialien] × [mehrere Substrate] × [Reaktionsparameter
wie z. B. Temperatur, Druck und Fluss aus der Gasphase] unabhängig voneinander
ausgewählt oder
gesteuert werden und in einer beliebigen gewünschten Kombination zusammengestellt
werden, und ist daher in der Lage, eine Gruppe von Substanzen in
einer einzelnen Reihe von Reaktionen in eine systematisch gesteuerte
Struktur zu synthetisieren oder zusammenzubringen.
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Dennoch
sollte beachtet werden, dass, obwohl die Wachstumskammer vorstehend
für die
kombinatorische Laser-Molekularstrahlepitaxie beschrieben ist, die
Wachstumskammer für
die Gasquellen-Molekularstrahl-Epitaxie modifiziert wird, so dass sie
ein Mittel zum Aufbringen einer organometallischen Gasquellenverbindung
durch eine Düse
auf jedes Substrat in einer gesteuerten Strömung als Rohmaterialvielfalt-Zufuhrmittel
zum Zuführen
eines eine Schicht bildenden Rohmaterials auf ein Substrat in einer
Wachstumsposition im Substrathalter umfasst. Eine solche Modifikation
stellt die für
die erste Ausführungsform
gezeigte und beschriebene Konstruktion dar.
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4 ist
eine detaillierte Querschnittsansicht, die eine Substratheizeinheit
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die die Trägerplatte darstellt, die in
ihre Endposition bewegt wurde, um die Substrat heizeinheit in Kontakt
mit der Trennwand anzuordnen.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst die Substratheizeinheit 36 ein
zylindrisches Gehäuse 35,
dessen entgegengesetzte Enden mit Flanschen 31 und 33 versehen
sind, einen Lampenhalter 82, der über der Mittellinie des Gehäuses 35 angeordnet
ist, und eine Lampenheizeinrichtung 8, die am Lampenhalter 82 angebracht
ist, sowie einen Substratdrehmechanismus zum Drehen des Substrathalters.
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Die
Lampenheizeinrichtung 8 muss gekühlt werden, um ihre Sicherheit
und Temperatursteuerstabilität
sicherzustellen. Dazu weist die Lampenheizeinrichtung eine Wasserkühlrohrleitung 201 auf,
die von der Substratheizeinheit geführt ist und über eine Massekopfvereinigung 203,
die an der Trägerplatte 38 vakuumdicht
abgedichtet ist, mit einer Kühlwasserzirkulationsverrohrungsanordnung 200 verbunden
ist, die so angeordnet ist, dass sie die drehbare Welle 43 umgibt,
und eine Kühlwasserzufuhr-
und -rückführrohrleitung 202 und 202 aufweist.
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Für die Lampenheizeinrichtung
ist ein Elektrodenstecker 101 als an der Trägerplatte 38 vakuumdicht
abgedichtet vorgesehen. Obwohl hier nicht gezeigt, wird jedoch später im Einzelnen
beschrieben, sind eine elektrische Leistungsversorgungsverdrahtung
für die
Lampenheizeinrichtung 8, Signalleitungen für Temperatursteuerthermoelemente
und so weiter für
die Lampenheizeinrichtung so geführt, dass
sie durch das Innere der drehbaren Welle 43 verlaufen,
und zu ihrer Außenseite
als vakuumdicht abgedichtet geführt.
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Der
Substratumdrehungsmechanismus umfasst ein Substrathalter-Drehelement 84,
das außerhalb
des Lampenhalters 82 angeordnet ist, und eine Aufspannvorrichtung 45,
die am Drehelement 84 angebracht ist, um den Substrathalter 48 in
einem Brennpunkt zu positionieren, der von der Lampenheizeinrichtung 8 bereitgestellt
wird.
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Das
Substrathalter-Drehelement 84 umfasst an seinem oberen
Ende ein drehbares Zahnrad 83 in Eingriff mit einem Zahnrad 85,
das an einem Ende einer drehbaren Welle 86 befestigt ist,
die an ihrem anderen Ende ein drehbares Zahnrad 88 in Eingriff
mit einem drehbaren Zahnrad 65 aufweist. Ferner ist das Substrathalter-Drehelement
an seinem unteren Ende mit einem Lager 87 versehen.
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Als
nächstes
wird ein Substrathalter erwähnt.
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5(a) und 5(b) stellen
einen Substrathalter in einer perspektivischen Erscheinungsbildansicht bzw.
in einer Querschnittsansicht dar. 5(b) stellt auch
eine Orientierung des Substrathalters relativ zur Lampenheizeinrichtung 8 dar.
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Mit
Bezug auf 5 liegt der gezeigte Substrathalter
in Form einer Scheibe vor, die mit einem hohlen Inneren 311 ausgebildet
ist und seitlich eine ringförmige
Aussparung 310 aufweist, um den Substrathalter in der Aufspannvorrichtung 45 zu
halten. Auf einer Oberfläche
des Substrathalters sind auf seiner Seite gegenüber seiner hohlen oder unteren
offenen Seite mehrere Substrate 5 angebracht. Das hohle und
untere offene Innere ist so vorgesehen, dass es eine geeignete Tiefe
aufweist, so dass ermöglicht wird,
dass die Substrate wirksam und dennoch in einem Ausmaß erhitzt
werden, das ausreicht, um die Verformung des Substrathalters zu
verhindern. Obwohl Substrate als in mehrfacher Anzahl angebracht gezeigt
sind, sollte ferner beachtet werden, dass nur ein Substrat angebracht
sein kann. Wenn mehrere Substrate angebracht sind, ist es bevorzugt,
dass sie entlang eines Kreises oder Kreisen auf der Scheibenoberfläche um ihre
Mitte angeordnet sind.
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Ein
solcher Substrathalter mit einem mäßig hohlen Inneren verhindert
die Verformung seines Körperabschnitts
und ermöglicht
dennoch eine effektive Erwärmung
von Substraten.
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6(a) und 6(b) stellen
einen Substrathalter, der eine Modifikation des Substrathalters
von 5(a) und 5(b) darstellt,
in einer perspektivischen Erscheinungsbildansicht bzw. in einer
Querschnittsansicht dar. 6(b) zeigt
auch eine Lampenheizeinrichtung 8.
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Wie
in 6(a) und 6(b) gezeigt,
ist ein modifizierter Substrathalter 308 mit mehreren Öffnungen 309 in
Form von Schlitzen ausgebildet, die so angeordnet sind, dass sie
einen zentralen Bereich der Scheibe, in dem ein Substrat 5 angeordnet
ist, umgeben. Mit einem solchen Substrathalter 308 wird
ein Substrat 5 durch Fokussieren von Wärmestrahlen, die von der Lampenheizeinrichtung 8 emittiert
werden, auf eine Substrathalteroberfläche, auf der das Substrat 5 abgestützt ist,
erhitzt. Obwohl das Substrat durch Wärmeleitung in einem Abschnitt
des Substrathalters, der durch die Schlitzöffnungen 309 definiert
ist, erhitzt wird, wird festgestellt, dass die Anwesenheit dieser Öffnungen 309 die
Entweichung von geleiteter Wärme
von diesem Abschnitt weg verringert. Ferner sollte beachtet werden,
dass Substrate nicht einzeln sein müssen, sondern mehrere sein können. Wenn
mehrere Substrate angebracht sind, können die Schlitzöffnungen 309 entweder
nur sie umgebend oder um sie ausgebildet sein.
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Ein
solcher Substrathalter 308 ermöglicht, dass ein oder mehrere
Substrate wirksam erhitzt werden, und erhöht die Gleichmäßigkeit
der Erhitzungstemperatur.
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7(a) und 7(b) zeigen
eine alternative Form der vorstehend beschriebenen Substrathalter in
einer perspektivischen Erscheinungsbildansicht bzw. in einer Querschnittsansicht. 7(b) stellt auch eine Orientierung des
alternativen Substrathalters relativ zur Lampenheizeinrichtung 8 dar.
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Mit
Bezug auf 7(a) und 7(b) umfasst
der alternative Substrathalter 48 einen Halterring 320, dessen äußere Umfangswand
mit einer ringförmigen Aussparung 310 zum
Halten des Substrathalters in einer Aufspannvorrichtung 45 ausgebildet
ist und dessen innere Umfangswand mit einer inneren abgestuften
Kante oder einem Schulterabschnitt endet, an der bzw. dem eine Halterplatte 330 innerhalb
des Halterrings 320 und in Kontakt mit einem außen begrenzten
Bereich sitzt.
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Ein
solcher Substrathalter 48 ist, wenn er an der Aufspannvorrichtung 45 angebracht
ist, so orientiert, dass die Halterplatte 330 in einem
Brennpunktbereich der von der Lampenheizeinrichtung emittierten
Wärmestrahlen
angeordnet wird. Es sollte ferner beachtet werden, dass die Halterplatte 330 an
ihrer Seitenwand mit winzigen Vorsprüngen 315 mit abgerundeten
Enden ausgebildet sein kann, so dass sie bündig in den Halterring 320 eingefügt werden
kann.
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Die
Halterplatte 330 ist vorteilhafterweise auch aus einem
Material ausgebildet, das einen hohen Wärmeabsorptionswirkungsgrad
aufweist. Ferner ist ein oxidiertes oder Oxidmaterial auf der Scheibenoberfläche, die
der Lampenheizeinrichtung 8 zugewandt ist, ausgebildet,
um den Wärmeabsorptionswirkungsgrad der
Halterplatte 330 zu maximieren. Wenn die Lampenheizeinrichtung
beispielsweise aus einer Infrarotheizeinrichtung gebildet ist, ist
es erwünscht,
dass die Halterplatte aus Inkonel besteht und ihre Oberfläche dann
bei einer hohen Temperatur um 1000°C oxidiert wird, um ein Oxid 313 zu
bilden, das schwarz gefärbt
ist, so dass es einen maximalen Wärmeabsorptionswirkungsgrad
besitzt.
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Ein
so konstruierter Substrathalter ermöglicht, dass seine Halterplatte
durch eine Lampenheizeinrichtung mit einem maximalen Wärmewirkungsgrad
erhitzt wird, und minimiert das Entweichen von geleiteter Wärme vom
Umfangsbereich der Halterplatte. Folglich hat er den Effekt, dass
er die Halterplattentemperatur gleichmäßig macht.
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Eine
Erläuterung
in Bezug auf einen Drehantriebsmechanismus zum Drehen der Trägerplatte und
einen Translationsbewegungs-Antriebsmechanismus zum translatorischen
vertikalen Bewegen der Trägerplatte
wird als nächstes
gegeben.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Drehantriebsmechanismus 60 zum
Drehen der Trägerplatte 38 gezeigt,
der einen Motor 61, der an einer Translationsbewegungsplatte 72 montiert
ist, eine Welle 62 zur Übertragung
einer Antriebskraft des Motors 61, und ein Antriebszahnrad 64,
das an einem Endabschnitt der Welle 62 befestigt ist, umfasst.
Das Antriebszahnrad 64 steht mit dem drehbaren Zahnrad 65,
das für
die Drehwelle vorgesehen ist, zur Übertragung der Drehantriebskraft
auf diese in Eingriff.
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Ferner
sollte beachtet werden, dass veranlasst ist, dass die Drehwelle 62 durch
das Innere eines flexiblen Rohrs 82 verläuft, das
so enthalten ist, dass es eine Vakuumabschirmung zwischen dem Bewegungstisch 72 und
der Wachstumskammer 22 bereitstellt.
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Mit
Bezug auf 2 und 4 besitzt
die drehbare Welle 43 an ihrem Endabschnitt ein Stützelement 92,
das an dieser befestigt ist und das die Trägerplatte 38 mittels
mehrerer Halterwellen 91 daran befestigt. Und das drehbare
Zahnrad 65 ist mit dem Stützelement 92 so gekoppelt,
dass es relativ dazu mit einem gegebenen Drehmoment über ein
Lager 93 drehbar ist.
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Mit
Bezug auf 2 umfasst der Translationsbewegungs-Antriebsmechanismus 70 einen
Träger 73,
der an einer oberen Abdeckung oder Oberseite 71 der gemeinsamen
Kammer 22 befestigt ist, eine Drehwelle 75, die
mit einem Motor 74 so gekoppelt ist, dass sie durch diesen
zur Drehung angetrieben wird, und die Translationsbewegungsplatte 72,
die translatorisch in vertikalen Richtungen bewegt werden soll,
wenn die Drehwelle 75 gedreht wird. Die drehbare Welle 42 erstreckt
sich durch das Innere des flexiblen Rohrs 83, das enthalten
ist, um eine Vakuumabschirmung oder -abdichtung zwischen der Translationsbewegungsplatte 72 und
der Wachstumskammer 22 vorzusehen, ist durch eine magnetische
Abschirmungseinheit 77 magnetisch abgeschirmt, die an der
Translationsbewegungsplatte 72 angebracht ist, und ist
dadurch drehbar abgestützt. Die
magnetische Abschirmungseinheit ist hier vorgesehen, um die drehbare
Welle mittels eines Magnetfluids vakuumdicht abzuschirmen.
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Als
nächstes
wird ein Betrieb zuerst des Translationsbewegungs-Antriebsmechanismus
erwähnt.
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Mit
Bezug auf 2 und 4 wird,
wenn die Translationsbewegungsplatte 72 in einer oberen Startposition
angeordnet wird, die Drehwelle 75 durch den Motor 74 gedreht,
um zu bewirken, dass sich die Platte 72 absenkt. Dann schrumpfen
die flexiblen Rohre 82 und 83. Wenn sich die Platte 72 absenkt,
senkt sich die drehbare Welle 43 ab. Und eine fortgesetzte
Absenkung der drehbaren Welle 43 bringt den Flansch 33 der
Substratheizeinheit 36, die an der Transportplatte 38 angebracht
ist, mit dem O-Ring 41 in Druckkontakt, wobei die Substratheizeinheit
somit zu einem Stillstand kommt.
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Folglich
wird jede der Vakuumkammern an der Substratheizeinheit 36 vakuumdicht
abgeschirmt oder abgedichtet, was dann ermöglicht, dass sie unabhängig ausgepumpt
werden und hinsichtlich des Drucks gesteuert werden und jeweils
auf eine gegebene Temperatur erhitzt werden.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf Operationen der Transportplatte und des Substratdrehantriebsmechanismus
gegeben.
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Mit
Bezug auf 2 und 4 wird,
wenn die Translationsbewegungsplatte 72 in ihrer oberen Startposition
liegt, eine vom Motor 61 gelieferte Drehantriebskraft auf
die Welle 62 übertragen,
um das Antriebszahnrad 64 zu drehen. Das Antriebszahnrad 64 dreht,
wenn es gedreht wird, das drehbare Zahnrad 65 und wiederum
die drehbare Welle 43, was bewirkt, dass sich die Trägerplatte
dreht und dadurch die Substratheizeinheit 36 dreht. Dann
wird bewirkt, dass sich das drehbare Zahnrad 88 dreht,
wobei der Drehantrieb über
die Drehwelle 86 auf das Drehzahnrad 83 übertragen
wird, um das Substrathalter-Drehelement 85 zu drehen und
folglich den Substrathalter 48 zu drehen. In diesem Zusammenhang
sollte beachtet werden, dass jede der drehbaren Welle 43,
der Drehwelle 62 und der Drehwelle 86 zur Drehung
in dem Zustand veranlasst werden, in dem jede in ihrer jeweiligen
Vakuumkammer vakuumdicht abgeschirmt oder abgedichtet ist.
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Daher
ist es nicht nur möglich,
die Substratheizeinheit an der Trägerplatte zu irgendeiner gegebenen
der Vakuumkammern zu transportieren, sondern es ist auch möglich, den
Substrathalter 48 zu drehen.
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Wenn
die Trägerplatte 38 translatorisch
in ihre untere Endposition bewegt wurde, wobei die Substratheizeinheit
von der gemeinsamen Kammer isoliert vakuumdicht abgeschirmt gehalten
wird, ermöglicht
die Substratheizeinheit, die in Druckkontakt mit dem O-Ring verriegelt
ist (daher wird die drehbare Welle vom weiteren Absenken abgehalten
und somit verriegelt), dass das drehbare Zahnrad 65 mit
der Drehantriebskraft, die von der Drehwelle 62 übertragen
wird, relativ zur drehbaren Welle über das Lager 93 gedreht
wird und das drehbare Zahnrad 88 und wiederum das Substrathalter-Drehelement 85 dreht, wodurch
der Substrathalter 48 gedreht wird.
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Folglich
kann der Substrathalter in irgendeiner der Vakuumkammern in Drehung
versetzt werden.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf die drehbare Welle gegeben.
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8 stellt
in einer Querschnittsansicht die drehbare Welle zur Verwendung in
der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Mit
Bezug auf 8 verläuft die drehbare Welle 43 durch
ein Zentrum der kombinatorischen Molekularschicht-Epitaxievorrichtung 20 gemäß der zweiten
Ausführungsform
und erstreckt sich über
die gemeinsame Kammer unter einem Vakuum und eine Außenseite
davon unter einem Atmosphärendruck.
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Das
obere Ende der drehbaren Welle 43 ist dicht mit einem Gleitring 301 zur
Vakuumabschirmung oder -abdichtung abgedichtet. Elektrische Drähte, die
durch das innere der drehbaren Welle geführt sind, sind mit einer Verbindung
des Gleitrings 301 verbunden, die an der drehbaren Welle
befestigt ist, und die axiale Bewegung damit in Gleitkontakt mit ihrem
oberen festen Entnahmeteil stellen die elektrische Verbindung sicher.
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Die
Verwendung eines Gleitrings ermöglicht folglich,
dass die elektrischen Drähte,
die durch das Innere der drehbaren Welle geführt sind, durch Gleitkontakt
mit einem externen elektrischen System verbunden werden, selbst
wenn die drehbare Welle gedreht und axial bewegt wird.
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Daher
ist kein Verdrehen der elektrischen Drähte eine Begleiterscheinung,
selbst wenn eine solche Welle gedreht und axial bewegt wird.
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9 stellt
Details der drehbaren Welle in der zweiten Ausführungsform mit Fluiddurchlässen zum
Kühlen
einer Lampenheizeinrichtung dar.
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Mit
Bezug auf 9 ist die drehbare Welle 43 mit
einer inneren und einer äußeren Kühlwasserleitung 401 und 403 koaxial
versehen. Kühlwasser wird
von einer Kühlwassereinlassöffnung 402 einer Kühlwasser-Dichtungseinheit 405 in
die innere Kühlwasserleitung 401 eingeleitet.
Das Kühlwasser
fließt durch
eine Auslassöffnung 404 in
einem Endabschnitt der drehbaren Welle 43 aus und dann
an den Kühlwasserfluiddurchlässen der
Lampenheizeinrichtung 201 und 202 (2)
vorbei und wird durch eine Rückführungseinlassöffnung 406 zurückgeführt. Das
Rückführungswasser
wird durch die äußere Leitung 403 geleitet
und durch eine Ablassöffnung 408 einer
Kühlwasser-Dichtungseinheit 408 ausgelassen.
Ferner sollte beachtet werden, dass die Kühlwasser-Dichtungseinheiten 405 und 407 miteinander verbunden
und am Träger
(3) befestigt sind. Die Kühlwasser-Dichtungseinheiten 405 und 407 sind wasserdicht
mit O-Ringen 409 abgedichtet.
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Folglich
begleitet eine Drehung dieser Leitungen, die an der drehbaren Welle
getragen sind, keine Verdrehung der Kühlwasserleitungen.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
in Bezug auf einen Betrieb in einem Prozess durch eine Vorrichtung
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung gegeben. Es sollte beachtet werden, dass für die Wachstumskammer
ein Beispiel eines Laser-Molekularstrahl-Epitaxiesystems genommen
wird und spezielle angegebene Bedingungen nur für die Erläuterung dienen.
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Unter
einem gegebenen Druck und bei der Raumtemperatur wird die Trägerplatte 38 in
ihrer oberen Startposition angeordnet und ein erster Substrathalter 48 wird
in die Aufspannvorrichtung 45 geladen. Dann wird die Trägerplatte 38 abgesenkt,
um die jeweiligen Substratheizeinheiten 36 mit ihren entsprechenden
O-Ringen 41 in Druckkontakt zu bringen und sie zu einem
Stillstand zu bringen. Die Vorheizkammer 28 wird auf einem
Hochvakuum, z. B. auf 10-6 Torr, gehalten,
in der eine Reinigung durchgeführt
wird, und die Temperatur wird mit einer Rate von 10°C/Minute
bis auf 950°C
erhöht.
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Beim
Ablauf einer gegebenen Zeitdauer, während die Temperatur von jeder
der Substratheizeinheiten unverändert
gehalten wird, werden die gemeinsame Kammer und jede der Vakuumkammern auf
einen gegebenen Druck zurückgebracht
und die Trägerplatte 38 wird
in ihre obere Startposition bewegt. Dann wird die Trägerplatte 38 gedreht,
um die Substratheizeinheit 36, die mit dem ersten Substrathalter 48 beladen
ist, in eine Position über
der Wachstumskammer 24 zu transportieren. In dieser Stufe
wird ein zweiter Substrathalter 48 mit als nächstes zu
bearbeitenden Substraten in die Aufspannvorrichtung 45 einer
anderen Substratheizeinheit 36 geladen oder wurde in diese
geladen, welche der Vorheizkammer 28 bei der Raumtemperatur
entspricht, nämlich
von jeder Substratheizeinheit 36, bei der die Lampenheizeinrichtung 8 abgeschaltet
ist.
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Die
Trägerplatte 38 wird
dann abgesenkt, um die Vakuumkammern voneinander zu isolieren. Die Wachstumskammer 24 wird
ausgepumpt und auf einem Hochvakuum, z. B. auf 10-4 Torr,
gehalten und erhitzt und auf eine Temperatur von 950°C erhitzt
gehalten, in welchem Zustand ein Laser-Molekularstrahl-Epitaxiewachstum darin
durchgeführt
wird. In dieser Stufe wird die Vorheizkammer 28 auf einem Hochvakuum
von 10-6 Torr gehalten und erhitzt, um ihre
Temperatur mit einer Rate von 10°C/Minute
bis auf 950°C
zu erhöhen.
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In
der Wachstumskammer 24 kann das Molekularschicht-Epitaxiewachstum
für individuelle
monomolekulare Schichten bewirkt werden, um eine Überstruktur
oder ein Übergitter
nacheinander auf jedem der Substrate auszubilden, indem ermöglicht wird,
dass der Substrathalter gedreht wird. Danach werden jede der Vakuumkammern
und die gemeinsame Kammer 22 auf einen gegebenen Druck
zurückgebracht,
während
die eingestellte Temperatur von 950°C aufrechterhalten wird. Dann
wird die Trägerplatte 38 wieder
in ihre obere Startposition bewegt und ihre Drehung folgt, um die
Substratheizeinheit 36, die mit dem ersten Substrathalter 48 beladen
ist, in eine Position über
der Glühkammer 26 zu
transportieren. In dieser Stufe wird oder wurde ein dritter Substrathalter 48 in
die Aufspannvorrichtung 45 der Substratheizeinheit 36 geladen,
die der Vorheizkammer 28 entspricht.
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Die
Trägerplatte 38 wird
dann wieder abgesenkt, um die Vakuumkammern voneinander zu isolieren.
Die Glühkammer 28 wird
im Druck verringert und auf einem Druck von z. B. 1 Torr gehalten
und von einer Temperatur von z. B. 950°C mit einer Kühlrate von
10°C/Minute
für eine
gegebene Zeitdauer zum Glühen
abgekühlt.
In der Glühkammer
wird eine Steuerung durchgeführt,
um den Sauerstoffpartialdruck optimal zu machen. Nachdem die Lampenheizeinrichtung 8 abgeschaltet
ist, um die Glühkammer auf
Raumtemperatur zu bringen, werden jede der Vakuumkammern und die
gemeinsame Kammer 22 auf einen gegebenen Druck gebracht,
während
die anderen Substratheizeinheiten 36 und 36 auf
950°C belassen
werden. In diesem Zustand wird die Trägerplatte 38 in ihre
obere Startposition bewegt und wird dann gedreht, um sie in ihre
Ruheposition zurückzubringen.
Der Substrathalter mit den Substraten mit jeweils dem epitaktischen
Wachstum wird entfernt und in das Lagergehäuse 49 transportiert.
Dann wird die Aufspannvorrichtung 45 der Substratheizeinheit 36 mit
einem neuen, vierten Substrathalter beladen, der mit zu bearbeitenden
Substraten beladen ist.
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Die
vorstehend beschriebene Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
folglich ebenso, dass [mehrere Rohmaterialien] × [mehrere Substrate] × [Reaktionsparameter
wie z. B. Temperatur, Druck und Fluss aus der Gasphase] unabhängig voneinander
ausgewählt
oder gesteuert werden und in einer beliebigen gewünschten
Kombination zusammengestellt werden, und ist daher in der Lage,
in einer einzelnen Reihe von Reaktionen eine Gruppe von Substanzen
zu einer systematisch gesteuerten Struktur zu synthetisieren oder
zusammenzubringen.
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Überdies
wird eine Anordnung geschaffen, in der die Wachstumskammer 24 zum
Ausbilden von monomolekularen Epitaxiewachstumsschichten auf Substraten,
die Glühkammer 28 zum
Glühen
des auf Substraten ausgebildeten Dünnschichtwachstums und die
Reinigungskammer 28 zum Vorreinigen von Substraten jeweils
entsprechenden Heizeinheiten 36, 36 und 36 zugeordnet
sind, und die den Druck und die Temperaturen für jedes der Kammer/Einheits-Paare,
folglich für
ein Paar unabhängig
vom anderen, individuell steuerbar gemacht hat. Folglich ist es
möglich
gemacht, Substrate ohne den Bedarf für die Kühlung oder Temperaturverringerung
zu transportieren und die aufeinander folgenden Prozesse nacheinander
oder ohne Unterbrechung auszuführen.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gegeben.
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10 stellt
die dritte Ausführungsform
in ihrer Erscheinungsbildansicht dar.
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In
der dritten Ausführungsform
verwendet die Erfindung eine Konstruktion, in der Heizeinheiten nicht
auf einem Kreis, sondern in einer Reihe angeordnet sind und Vakuumkammern
so entsprechend den Heizeinheiten angeordnet sind. Dennoch sollte beachtet
werden, dass die Substrathalter-Ladeschleusenkammer und so weiter
weggelassen sind.
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Wie
in 10 gezeigt, umfasst eine kombinatorische Molekularschicht-Epitaxievorrichtung
gemäß der dritten
Ausführungsform 400 eine
gemeinsame Kammer 422, in der Substratheizeinheiten 436 in
ihre jeweiligen Bearbeitungskammern transportiert werden, die aus
einer Vorheizkammer 410, einer Wachstumskammer 412,
einer Ätzkammer 414 und einer
Glühkammer 416 gebildet
sind, und jeweils damit verriegelt werden. Jede der Prozesskammern wird
dadurch vakuumdicht abgeschirmt oder abgedichtet, um eine unabhängige Vakuumkammer
zu bilden, die ein unabhängiges
Auspumpen auf ein gegebenes Hochvakuum ermöglicht.
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Die
gemeinsame Kammer 422 ist so ausgelegt, dass sie mit der
Vorheizkammer 410, der Wachstumskammer 412, der Ätzkammer 414 und der
Glühkammer 413 durch
ihre jeweiligen Öffnungen 42,
die in einer Trennwand 439 ausgebildet sind, in Verbindung
steht, von denen jede einen O-Ring aufweist, der in eine ringförmige Nut
eingefügt
ist, die um sie ausgebildet ist. Ferner ist jede der Vakuumkammern
an der Trennwand 439 vakuumdicht abgedichtet und dadurch
sicher gehalten.
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Die
Substratheizeinheiten 436 werden durch eine Trägerplatte 438 getragen,
die so ausgelegt ist, dass sie durch vertikal bewegliche Wellen 401 und 401 vertikal
bewegt wird, und z. B. an einer Kettenfördereinrichtung abgestützt sind,
um sich entlang eines schleifenförmigen
Weges 402 zu bewegen, der in der Trägerplatte 438 ausgebildet
ist. Es sollte ferner beachtet werden, dass ein Motor 429 vorgesehen
ist, um die Substratheizeinheiten 436 entlang des schleifenförmigen Kettenförderweges 402 zu
befördern, und
Motoren 421 auch vorgesehen sind, um die in den Substratheizeinheiten 436 gehaltenen
Substrathalter jeweils zu drehen.
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11 stellt
in einer etwas detaillierten Ansicht eine Substratheizeinheit in
der dritten Ausführungsform
der Erfindung dar, in der dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet
Teile oder Komponenten darstellen, die jenen in der zweiten Ausführungsform
gemeinsam sind.
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Mit
Bezug auf 11 wird die Substratheizeinheit
in der dritten Ausführungsform 436 durch
die Trägerplatte 438 mittels
einer Welle 406 getragen und ist mit einem Drehantriebsmechanismus
zum Drehen des Substrathalters in einer Konfiguration, wie in 2 gezeigt,
versehen. Der Motor 421 zum Aufbringen einer Drehantriebskraft
auf die Drehwelle 86 ist an einer Oberseiten- oder oberen Abdeckung 418 getragen.
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Als
nächstes
wird ein Betrieb der dritten Ausführungsform erwähnt.
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Die
Trägerplatte 438 wird
abgesenkt, um den Flansch 33 der Substratheizeinheit 436 mit
dem O-Ring an der Trennwand in Druckkontakt zu bringen.
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Der
zusammengedrückte
O-Ring bewirkt, dass die Substratheizeinheit zu einem Stillstand kommt.
In dieser Stufe wird oder wurde jede der Vakuumkammern vakuumdicht
abgedichtet, individuell auf ein gegebenes Vakuum mit gesteuertem
Druck ausgepumpt und wird oder wurde auf eine gegebene Temperatur
unabhängig
voneinander erhitzt.
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Anschließend wird
veranlasst, dass sich die Trägerplatte 438 anhebt
und in ihrer oberen Startposition zu einem Stillstand kommt, was
ermöglicht, dass
sich die Substratheizeinheiten horizontal zur Positionierung über ihren
jeweiligen Vakuumkammern bewegen. Bei der Bewegung der Substratheizeinheiten
wird der Substrathalter gedreht und eine gegebene Temperatur wird
dafür gehalten.
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Diese
Anordnung ermöglicht
hier wiederum, dass jede der Vakuumkammern gegenüber ihrem Erwärmungsgegenstück vakuumdicht
abgeschirmt oder abgedichtet wird, individuell auf ein gegebenes Vakuum
mit gesteuertem Druck ausgepumpt wird und unabhängig voneinander auf eine gegebene Temperatur
erhitzt wird.
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Es
sollte in Verbindung mit dem Obigen beachtet werden, dass die Wachstumskammer
eine Konstruktion wie in der ersten oder zweiten Ausführungsform
aufweisen kann.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist eine kombinatorische
Molekularschicht-Epitaxievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
als Epitaxievorrichtung für
monomolekulare Schichten äußerst nützlich,
um eine effiziente Suche nach einem Material oder einer Substanz
effizient in einer kurzen Zeitdauer durchzuführen.