DE102010033943A1

DE102010033943A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Heizen von Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102010033943A1
Application number: DE102010033943A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2012-02-16
Also published as: WO2012020024A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Heizen von Halbleitermaterial (2) angegeben, bei dem ein Halbleitermaterial mit zumindest einem dotierten Halbleiterbereich (21, 22) relativ zu einer Induktoranordnung (3) positioniert wird und ein Wechselstrom in die Induktoranordnung (3) eingeprägt wird, so dass in dem dotierten Halbleiterbereich (21, 22) ein elektrischer Strom induziert wird. Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Heizen von Halbleitermaterial angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Heizen von Halbleitermaterial sowie eine Vorrichtung zum Heizen von Halbleitermaterial.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wird typischerweise eine Vielzahl von Verfahrensschritten durchgeführt, die in der Regel unterschiedliche Temperaturbereiche erfordern. Zum Heizen der zu bearbeitenden Halbleiterwafer auf die jeweils erforderliche Temperatur kann Wärmeübertragung durch Konvektion, beispielsweise in Rohröfen, oder durch Wärmestrahlung Anwendung finden. Die hohe Wärmekapazität solcher Öfen führt jedoch dazu, dass Heiz- und Abkühlvorgänge nur mit vergleichsweise langsamen Temperaturänderungen durchgeführt werden können, wodurch sich die Herstellungsdauer erhöht.
Eine Aufgabe ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Halbleitermaterial schnell und zuverlässig auf einen vorgegebenen Wert geheizt werden kann. Weiterhin soll eine Vorrichtung angegeben werden, die ein schnelles und zuverlässiges Heizen von Halbleitermaterial erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bei einem Verfahren zum Heizen eines Halbleitermaterials wird gemäß einer Ausführungsform ein Halbleitermaterial mit zumindest einem dotierten Halbleiterbereich bereitgestellt. Das Halbleitermaterial wird relativ zu einer Induktoranordnung positioniert. Ein Wechselstrom wird in die Induktoranordnung eingeprägt, so dass in dem dotierten Halbleiterbereich ein elektrischer Strom induziert wird.
Eine Vorrichtung zum Heizen eines Halbleitermaterials weist gemäß einer Ausführungsform eine Induktoranordnung auf, die dafür vorgesehen ist, bei einer Einprägung eines Wechselstroms ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zu erzeugen, das eine Positionierungsfläche für das Halbleitermaterial durchdringt.
Durch Anordnen des Halbleitermaterials im Bereich der Positionierungsfläche kann das Halbleitermaterial im Betrieb der Vorrichtung induktiv geheizt werden. Unter einer Positionierungsfläche wird allgemein ein Bereich verstanden, der sich in einer vorgegebenen Position relativ zur Induktoranordnung befindet und der für die Positionierung des zu behandelnden Halbleitermaterials vorgesehen ist. Die Positionierungsfläche kann beispielsweise durch eine Halterung für das Halbleitermaterial vorgegeben sein.
Ein für das Heizen des Halbleitermaterials auf eine vorgegebene Temperatur erforderlicher Energieeintrag erfolgt direkt über eine Induktion eines elektrischen Stroms in dem dotierten Halbleiterbereich. Mit anderen Worten erfolgt die für das Heizen maßgebliche Induktion des elektrischen Stroms nicht in einem Teil der Vorrichtung, sondern in dem in der Vorrichtung zu heizenden Halbleitermaterial selbst, insbesondere in dem dotierten Halbleiterbereich. Es ist somit nicht erforderlich, zumindest Teile der Vorrichtung, beispielsweise eine Halterung für das Halbleitermaterial oder eine das Halbleitermaterial umgehende Wand, zu heizen. Verglichen mit einem Heizen basierend auf Konvektion oder mittels eines thermischen Strahlers können so zum Einstellen einer vorgegebenen Temperatur in zuverlässiger und reproduzierbarer Weise besonders schnelle Temperaturänderungen erzielt werden. Das Herstellungsverfahren für die aus dem Halbleitermaterial hervorgehenden Halbleiterbauelemente kann beschleunigt werden.
Das Halbleitermaterial kann eine, vorzugsweise epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschichtenfolge aufweisen.
In einer Ausgestaltungsvariante weist das Halbleitermaterial ein Substrat auf. Auf dem Substrat kann die Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein.
Der dotierte Halbleiterbereich kann in dem Substrat und/oder in der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet sein.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist das Halbleitermaterial auf einem Substrat angeordnet, das elektrisch isolierend ist oder zumindest eine nur sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der dotierte Halbleiterbereich ist in diesem Fall in der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet. Das Heizen kann also weitgehend unabhängig von dem Substrat erfolgen. Für das Substrat kann daher auch ein Material Anwendung finden, das elektrisch isolierend ist oder eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und deshalb nicht beziehungsweise nur wenig effektiv induktiv heizbar wäre.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Induktoranordnung derart ausgebildet, dass ein durch den Wechselstrom hervorgerufenes zeitlich veränderliches Magnetfeld eine Haupterstreckungsebene des Halbleitermaterials, insbesondere der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge, in lateraler Richtung, also entlang einer in der Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung, homogen durchdringt.
Unter einem homogenen Magnetfeld wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass die magnetische Flussdichte betragsmäßig über die Halbleiterschichtenfolge um höchstens 50% von einer über die Halbleiterschichtenfolge gemittelten Feldstärke abweicht. Besonders bevorzugt beträgt die Abweichung höchstens 20%.
Weiterhin bevorzugt verlaufen die Feldlinien des Magnetfelds senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht, etwa mit einer Abweichung von höchstens +/–10°, zu der Haupterstreckungsebene des Halbleitermaterials. Bei einer senkrechten Ausrichtung des Magnetfelds relativ zur Haupterstreckungsebene wird in dem dotierten Halbleiterbereich ein Strom entlang der Haupterstreckungsebene induziert.
In einer Ausgestaltungsvariante weist die Induktoranordnung zumindest zwei Spulen auf, wobei die Positionierungsfläche weiterhin bevorzugt zwischen den zumindest zwei Spulen angeordnet ist. Das Spulenpaar kann insbesondere als eine Helmholtz-Spule ausgebildet sein. Bei einer Helmholtz-Spule verlaufen die Rotationsachsen zweier ringförmiger Spulen mit Radius R deckungsgleich zueinander, wobei die Spulen im Abstand R parallel zueinander angeordnet und gleichsinnig bestromt sind. Mit einem solchen Spulenpaar kann zwischen den Spulen, insbesondere entlang der Rotationsachse, ein besonders gleichmäßiges Magnetfeld erzielt werden, dessen Feldlinien parallel zur Rotationsachse der Spulen verlaufen.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist die Induktoranordnung auf nur einer Seite der Positionierungsfläche ausgebildet. Im einfachsten Fall kann die Spule aus einer einzigen Windung bestehen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsvariante ist die Induktoranordnung mittels zweier Leiter gebildet, die parallel oder im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und weiterhin bevorzugt gegensinnig bestromt werden. Zumindest einer der Leiter verläuft vorzugsweise parallel zur Positionierungsfläche und somit parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleitermaterials. Die Positionierungsfläche ist vorzugsweise zwischen den Leitern angeordnet, so dass sich im Betrieb der Vorrichtung ein Magnetfeld einstellt, das die Postionierungsfläche senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht durchdringt.
Der in die Induktoranordnung eingeprägte Strom ist vorzugsweise derart an den dotierten Halbleiterbereich angepasst, insbesondere hinsichtlich der Stromstärke und der Frequenz, dass der in dem dotierten Halbleiterbereich induzierte Strom einen Bereich der Halbleiterschichtenfolge auf einen vorgegebenen Wert heizt.
Aufgrund des sogenannten Skin-Effekts wird Wechselstrom in elektrischen Leitern zur Oberfläche des Leiters hin verdrängt, so dass die Stromdichte im Inneren des Leiters abnimmt. Ein Maß für die Tiefe des Eindringens ist die Skin-Tiefe. Diese gibt denjenigen Abstand von der Oberfläche an, bei dem die Stromstärke auf das 1/e-fache (also auf einen Wert von etwa 37% des Werts an der Oberfläche) abgefallen ist.
Die Skin-Tiefe berechnet sich zu
wobei ρ der spezifische Widerstand, μ das Produkt aus Vakuumpermeabilität μ₀ und relativer Permeabilität μ_r, π die Kreiszahl und f die Frequenz des Wechselstroms ist.
Typischerweise ist der Energieeintrag für das Heizen am größten, wenn die Dicke eines zu heizenden Objekts, also die Ausdehnung des Objekts entlang der Feldlinien des durchdringenden Magnetfelds, etwa der doppelten Skin-Tiefe entspricht.
Für das Heizen von dotiertem Halbleitermaterial hat sich jedoch herausgestellt, dass sich auch Frequenzen eignen, bei denen die Skin-Tiefe größer ist als die Dicke des dotierten Halbleiterbereichs. Vorzugsweise ist die Skin-Tiefe mindestens um den Faktor 10 größer ist als die Dicke des dotierten Halbleiterbereichs, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 100. Für eine ausreichend effiziente Einkopplung beträgt der Faktor vorzugsweise höchstens 100000.
Auf diese Weise können Frequenzen für den Wechselstrom Anwendung finden, bei denen die Vorrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig realisierbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Wechselstrom eine Frequenz zwischen einschließlich 1 kHz und einschließlich 20 GHz, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 10 kHz und einschließlich 1 GHz, am meisten bevorzugt zwischen einschließlich 10 kHz und einschließlich 100 MHz, auf.
Der Bereich unterhalb von 1 GHz ist besonders geeignet, da in diesem Fall auf aufwendige Methoden zur Wechselstromführung, beispielsweise die Verwendung von Hohlleitern, verzichtet werden kann.
Bei dem beschriebenen Verfahren kann für das Halbleitermaterial eine Solltemperatur vorgegeben werden, die je nach dem durchzuführenden Verfahrensschritt in weiten Grenzen einstellbar ist. Vorzugsweise wird das Halbleitermaterial auf eine Temperatur zwischen einschließlich 50°C und einschließlich 1000°C geheizt.
Das beschriebene induktive Heizen von Halbleitermaterial ist allgemein für Herstellungsschritte geeignet, bei denen Halbleitermaterial auf eine vorgegebene Temperatur gebracht werden soll, beispielsweise für eine thermische Aktivierung von Halbleiterschichten, für die Verringerung eines Kontaktwiderstands zwischen Halbleitermaterial und einer Kontaktmetallisierung oder für eine Abscheidung von einem auf dem Halbleitermaterial aufzubringenden Material, etwa durch Aufdampfen oder Sputtern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der dotierte Halbleiterbereich einen spezifischen Widerstand von höchstens 100 Ωcm, besonders bevorzugt von höchstens 10 Ωcm, am meisten bevorzugt von höchstens 1 Ωcm, auf. Je nach zu heizendem Material kann bereits eine intrinsische Dotierung ausreichend sein. Durch eine Erhöhung der Dotierkonzentration kann typischerweise der spezifische Widerstand reduziert werden. Dadurch kann die Skin-Tiefe verringert werden, so dass auch bei vergleichsweise niedrigen Frequenzen des Wechselstroms ein effektiver induktiver Energieeintrag in das Halbleitermaterial erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist auf einer Seite der Positionierungsfläche ein Strahlungsschild angeordnet, der eine im Betrieb der Vorrichtung von dem Halbleitermaterial abgestrahlte Wärmestrahlung dem Halbleitermateiral zumindest teilweise wieder zuführt, beispielsweise durch Reflexion der Wärmestrahlung oder durch Absorption und nachfolgende Re-Emission. Bei einer einseitigen Anordnung des Strahlungsschilds ist die Halbleiterschichtenfolge von der dem Strahlungsschild abgewandten Seite her zugänglich, beispielsweise für ein Aufdampfen oder ein Sputtern.
In einer Weiterbildung ist auf einer dem Strahlungsschild gegenüberliegenden Seite der Positionierungsfläche ein weiterer Strahlungsschild angeordnet, der eine im Betrieb der Vorrichtung von dem Halbleitermaterial abgestrahlte Wärmestrahlung dem Halbleitermaterial zumindest teilweise wieder zuführt.
Mittels des Strahlungsschilds beziehungsweise der Strahlungsschilde kann die von dem Halbleitermaterial abgestrahlte Wärmestrahlung zur Steigerung der Temperatur der Halbleiterschichtenfolge bei gleichem induktivem Energieeintrag in das Halbleitermaterial zurück gelenkt werden.
Vorzugsweise ist der Strahlungsschild und/oder der weitere Strahlungsschild für das zeitlich veränderliche magnetische Feld durchlässig. Bevorzugt absorbiert der Strahlungsschild höchstens 20% des Betrags der magnetischen Flussdichte des hindurch tretenden magnetischen Felds.
Die beschriebene Vorrichtung ist zur Durchführung des weiter oben beschriebenen Verfahrens besonders geeignet. Im Zusammenhang mit der Vorrichtung angeführte Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung ist in 1 schematisch gezeigt. In der Vorrichtung 1 ist als Halbleitermaterial exemplarisch eine auf einem Substrat 25 angeordnete Halbleiterschichtenfolge 2 für eine Lumineszenzdiode mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20, der zwischen einem n-leitend dotierten ersten Halbleiterbereich 21 und einem p-leitend dotierten zweiten Halbleiterbereich 22 verläuft, angeordnet. Die Vorrichtung eignet sich aber grundsätzlich für das Heizen eines beliebigen Halbleitermaterials mit zumindest einem dotierten Halbleiterbereich.
Die Vorrichtung 1 weist eine Halterung 6 auf, die eine Positionierungsfläche 60 für die Halbleiterschichtenfolge 2 definiert. Das Substrat 25 liegt vollflächig auf der Halterung auf. Davon abweichend kann das Substrat aber auch nur bereichsweise aufliegen oder anderweitig gehaltert werden. Beispielsweise kann eine ringförmige Halterung Anwendung finden, so dass das Substrat in einem Mittenbereich frei zugänglich ist. Bei einer vollflächigen Auflage ist die Halterung zweckmäßigerweise für das magnetische Feld durchlässig ausgebildet.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine als Helmholtz-Spule ausgebildete Induktoranordnung 3 mit einer ersten Spule 31 und einer zweiten Spule 32.
Die Spulen 31, 32 sind über Zuleitungen 55 mit einer Wechselstromquelle 5 verbunden.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird in die Induktoranordnung 3 ein Wechselstrom eingeprägt, so dass zwischen den Spulen 31, 32 ein zeitlich veränderliches, räumlich homogenes Magnetfeld mit Feldlinien, die senkrecht durch die Positionierungsfläche 60 verlaufen, entsteht. Dies ist anhand der Pfeile 7 veranschaulicht.
Der Radius der Spulen R ist vorzugsweise größer als der Radius der zu heizenden Halbleiterschichtenfolge, so dass das Magnetfeld über die Positionierungsfläche 60 und somit über die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2 hinweg homogen ist. Die Spulen sind in einem dem Radius entsprechenden Abstand zueinander parallel angeordnet und werden gleichsinnig bestromt. Die Rotationsachsen der Spulen 31, 32 verlaufen deckungsgleich zueinander und weiterhin senkrecht zur Positionierungsfläche.
Zwischen der ersten Spule 31 und der Positionierungsfläche 60 ist ein Strahlungsschild 4 angeordnet. Weiterhin ist zwischen der zweiten Spule 32 und der Positionierungsfläche 60 ein weiterer Strahlungsschild 45 angeordnet. Im Betrieb ist also die Halbleiterschichtenfolge bezüglich ihrer Haupterstreckungsebene beidseitig von Strahlungsschilden umgeben. Die Strahlungsschilde sind dafür vorgesehen, von der Halbleiterschichtenfolge abgestrahlte Wärmestrahlung zur Halbleiterschichtenfolge zurück zu lenken. Dies wird durch die Pfeile 8 veranschaulicht. Eine Erwärmung der Vorrichtung durch von der Halbleiterschichtenfolge abgestrahlte Wärmestrahlung kann so vermindert werden. Das Heizen der Halbleiterschichtenfolge kann also besonders effizient erfolgen.
Die Strahlungsschilde 4, 45 sind für das von der Induktoranordnung 3 erzeugte zeitlich veränderliche magnetische Feld durchlässig, so dass diese die Feldstärke des Magnetfelds im Bereich der Positionierungsfläche 60 nicht wesentlich mindern. Vorzugsweise enthält der Strahlungsschild ein Material mit einer hohen Durchlässigkeit für das magnetische Feld und mit einer hohen Emissivität für Wärmestrahlung, beispielsweise Quarz.
Das Verfahren zum Heizen von Halbleitermaterial wird exemplarisch anhand einer Halbleiterschichtenfolge 2 basierend auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial beschrieben. Es eignet sich grundsätzlich auch für andere Halbleitermaterialien, insbesondere für Halbleitermaterialien der Gruppe IV des Periodensystems, etwa Silizium, Germanium oder Silizium-Germanium (SiGe) und für III/V-Verbindungshalbleitermaterialien wie GaAs, AlAs, InAs, GaP, InP sowie ternäre oder quaternäze Materialzusammensetzungen, die eines der genannten Materialien enthalten.
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Der als n-leitend dotierte GaN-Schicht ausgeführte erste Halbleiterbereich 21 weist bei einer Ladungsträgerkonzentration von 10¹⁷ cm^–3 einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm auf. Für die Skin-Tiefe ergeben sich abhängig von der Frequenz des Wechselstroms Werte von 503 mm für 1 kHz, 159 mm für 10 kHz, 50 mm für 100 kHz, 16 mm für 1 MHz, 1,6 mm für 100 MHz und 0,5 mm für 1 GHz.
Die Skin-Tiefe ist bei Frequenzen bis 1 GHz somit um mindestens eine Größenordnung größer als die Dicke der n-leitenden Halbleiterschicht 21, die typischerweise zwischen 10 nm und 10 μm liegt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich auch mit Frequenzen unterhalb von 1 GHz ein ausreichender induktiver Energieeintrag zum Heizen von Halbleitermaterial erzielen lässt. Bevorzugt weist der Wechselstrom eine Frequenz zwischen einschließlich 1 kHz und einschließlich 1 GHz, am meisten bevorzugt zwischen einschließlich 10 kHz und einschließlich 100 MHz, auf. Für diesen Frequenzbereich kann die Vorrichtung besonders einfach, kostengünstig und zuverlässig ausgebildet sein.
Zur weitergehenden Verringerung der Skin-Tiefe können auch Frequenzen bis zu 20 GHz Anwendung finden. In diesem Fall sind die Zuleitungen 55 zweckmäßigerweise als Hohlleiter ausgebildet.
Im Unterschied zu einem n-leitend dotierten GaN-Halbleiterbereich weist ein p-leitend dotierter GaN-Halbleiterbereich bei gleicher Ladungsträgerkonzentration einen höheren spezifischen Widerstand auf. Entsprechend ergeben sich für die Skin-Tiefe höhere Werte, beispielsweise bei einer Ladungsträgerkonzentration von 10¹⁷ cm^–3 und somit einem spezifischen Widerstand von 5000 Ωcm Werte von 112,5 m für 1 kHz, 35,6 m für 10 kHz, 11,3 m für 100 kHz, 3,6 m für 1 MHz, 360 mm für 100 MHz und 113 mm für 1 GHz.
Aufgrund der sich daraus ergebenden geringeren Effizienz für induktives Heizen des p-leitenden Halbleiterbereichs, insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Frequenzen, erfolgt das Heizen des p-leitenden Halbleiterbereichs 22 vorzugsweise indirekt durch Wärmeleitung von dem induktiv geheizten n-leitenden Halbleiterbereich 21. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eines p-leitenden Halbleiterbereichs mittels thermischer Aktivierung der Akzeptoren, beispielsweise Magnesium, kann also in dem n-leitenden Halbleiterbereich derselben Halbleiterschichtenfolge ein elektrischer Strom induziert werden, so dass Wärmeleitung innerhalb der Halbleiterschichtenfolge den p-leitenden Halbleiterbereich auf eine für die thermische Aktivierung erforderliche Temperatur bringt.
Das Heizen kann weiterhin weitgehend unabhängig von einem Substrat 25, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet ist, erfolgen. Für das Substrat kann somit auch ein Material Anwendung finden, das eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und deshalb nicht oder nur wenig effektiv induktiv heizbar wäre. Beispielsweise eignet sich ein elektrisch isolierendes Substrat, etwa Saphir, oder ein Substrat mit einem Halbleitermaterial, etwa Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Silizium, wobei das Halbleitermaterial undotiert oder dotiert sein kann. Das Substrat kann ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge sein oder ein vom Aufwachssubstrat verschiedener Träger, der insbesondere zur mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge vorgesehen ist.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann auch das Substrat den dotierten Halbleiterbereich aufweisen oder den dotierten Halbleiterbereich bilden. In diesem Fall kann eine undotierte Halbleiterschichtenfolge dadurch induktiv geheizt werden, dass das Substrat induktiv geheizt wird und die Halbleiterschichtenfolge über Wärmeleitung vom Substrat in die Halbleiterschichtenfolge geheizt wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung ist in 2 schematisch gezeigt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Induktoranordnung 3 ausschließlich auf einer Seite der Positionierungsfläche 60 angeordnet. Weiterhin ist die der Induktoranordnung abgewandte Seite der Positionierungsfläche 60 frei von einem Strahlungsschild. Die auf der Positionierungsfläche angeordnete Halbleiterschichtenfolge 2 ist von der der Induktoranordnung abgewandten Seite her frei zugänglich. Die Vorrichtung 1 kann so vereinfacht in eine Bearbeitungsvorrichtung für Halbleiterbauelemente, beispielsweise einen Beschichtungsreaktor integriert werden. Die Halbleiterschichtenfolge 2 kann mittels der Vorrichtung während der Beschichtung, beispielsweise mittels Aufdampfens oder Sputterns, direkt induktiv geheizt werden.
Für die Induktoranordnung 3 können unterschiedliche Ausgestaltungen zweckmäßig sein. Vorzugsweise ist die Induktoranordnung so ausgeführt, dass die magnetische Flussdichte B des erzeugten Magnetfelds im Bereich der Positionierungsfläche 60 in lateraler Richtung homogen ist. So ist gewährleistet, dass der in der dotierten Halbleiterschicht, etwa der n-leitenden Halbleiterschicht 21, induzierte Strom entlang der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschicht homogen ist, so dass die Halbleiterschichtenfolge gleichmäßig erwärmt wird.
Für eine vorgegebene Induktoranordnung lässt sich die resultierende magnetische Flussdichte B mittels des Biot-Savart-Gesetzes zumindest näherungsweise bestimmen. Demnach gilt für einen mit einem Strom I durchflossenen Stromleiter der infinitesimalen Länge dl → am Ort r' → für den Ort r →
Für eine sich in einer y-z-Ebene erstreckende, mit Schwerpunkt im Nullpunkt des Koordinatensystems angeordnete einzelne Windung mit Radius R ergibt sich eine magnetische Flussdichte, die für Abstände x, die sehr viel größer als der Radius R sind, eine magnetische Flussdichte, die lediglich eine Komponente in x-Richtung aufweist.
Diese ist gegeben durch
Bereits mit einer einzelnen Windung, die parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zur Positionierungsfläche angeordnet ist, kann also bei geeigneter Dimensionierung und Anordnung relativ zur Positionierungsfläche ein in lateraler Richtung homogenes Magnetfeld erzielt werden.
Es kann aber auch andere Spulenform Anwendung finden, beispielsweise eine spiralförmige oder schneckenförmige Spule. Für komplizierte Induktoranordnungen mit einer oder mehreren solchen Spule ist die magnetische Flussdichte oft nicht mehr analytisch lösbar, kann aber anhand des oben genannten Biot-Sovart-Gesetzes zumindest näherungsweise numerisch berechnet oder experimentell ermittelt werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung ist in 3 schematisch in Schnittansicht dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Spulenanordnung 3 mittels eines ersten Leiters 33 und eines zweiten Leiters 34 gebildet. Die Leiter 33, 34 sind parallel zueinander angeordnet und verlaufen in einer Ebene, die parallel zur Positionierungsfläche 60 verläuft. Zum Heizen wird das Halbleitermaterial auf der Positionierungsfläche 60 angeordnet, die sich zwischen dem ersten Leiter 33 und dem zweiten Leiter 34 befindet. Im Betrieb der Vorrichtung 1 werden die Leiter gegensinnig bestromt, so dass sich zwischen den Leitern ein zeitlich veränderliches Magnetfeld einstellt, das senkrecht zur Positionierungsfläche verläuft. Eine solche Vorrichtung kann vereinfacht für den Durchlaufbetrieb ausgebildet sein, das heißt, das zu heizende Halbleitermaterial kann während des Heizvorgangs relativ zu den Leitern, insbesondere entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Leiter bewegt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Heizen eines Halbleitermaterials (2) mit den Schritten: a) Bereitstellen des Halbleitermaterials mit zumindest einem dotierten Halbleiterbereich (21, 22); b) Positionieren des Halbleitermaterials (2) relativ zu einer Induktoranordnung (3); und c) Einprägen eines Wechselstroms in die Induktoranordnung (3), so dass in dem dotierten Halbleiterbereich (21, 22) ein elektrischer Strom induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Induktoranordnung derart ausgebildet ist, dass ein durch den Wechselstrom hervorgerufenes Magnetfeld eine Haupterstreckungsebene des Halbleitermaterials in lateraler Richtung homogen durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wechselstrom eine Frequenz zwischen einschließlich 1 kHz und einschließlich 20 GHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wechselstrom eine Frequenz zwischen einschließlich 10 kHz und einschließlich 1 GHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wechselstrom eine Frequenz zwischen einschließlich 10 kHz und einschließlich 100 MHz aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Halbleitermateiral eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat (25) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der dotierte Halbleiterbereich einen spezifischen Widerstand von höchstens 10 Ωcm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wechselstrom bezüglich seiner Frequenz derart an den dotierten Halbleiterbereich angepasst ist, dass eine Skin-Tiefe mindestens um den Faktor 10 größer ist als eine Dicke des dotierten Halbleiterbereichs.
Vorrichtung (1) zum Heizen eines Halbleitermaterials (2), wobei die Vorrichtung (1) eine Induktoranordnung aufweist, die dafür vorgesehen ist, bei einer Einprägung eines Wechselstroms ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zu erzeugen, das eine Positionierungsfläche für das Halbleitermaterial durchdringt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der auf einer Seite der Positionierungsfläche ein Strahlungsschild angeordnet ist, der eine im Betrieb der Vorrichtung von dem Halbleitermaterial abgestrahlte Wärmestrahlung dem Halbleitermaterial zumindest teilweise wieder zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der auf einer dem Strahlungsschild gegenüberliegenden Seite der Positionierungsfläche ein weiterer Strahlungsschild angeordnet ist, der eine im Betrieb der Vorrichtung von dem Halbleitermaterial abgestrahlte Wärmestrahlung dem Halbleitermaterial zumindest teilweise wieder zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der der Strahlungsschild und/oder der weitere Strahlungsschild für das zeitlich veränderliche Magnetfeld durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Induktoranordnung zumindest zwei Spulen aufweist und die Positionierungsfläche zwischen den Spulen des Spulenpaars angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Induktoranordnung auf nur einer Seite der Positionierungsfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Induktoranordnung einen ersten Leiter (31) und einen zweiten Leiter (32) aufweist, wobei der erste Leiter und der zweite Leiter parallel zueinander in einer Ebene verlaufen, die parallel zur Positionierungsfläche verläuft, und wobei die Positionierungsfläche zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter angeordnet ist.