EP4055206A1 - Verwendung eines cvd-reaktors zum abscheiden zweidimensionaler schichten - Google Patents

Verwendung eines cvd-reaktors zum abscheiden zweidimensionaler schichten

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EP4055206A1
EP4055206A1 EP20800127.1A EP20800127A EP4055206A1 EP 4055206 A1 EP4055206 A1 EP 4055206A1 EP 20800127 A EP20800127 A EP 20800127A EP 4055206 A1 EP4055206 A1 EP 4055206A1
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EP
European Patent Office
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gas
substrate
gas flow
value
layer
Prior art date
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Pending
Application number
EP20800127.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kenneth B. K. Teo
Clifford Mcaleese
Ben Richard Conran
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Aixtron SE
Original Assignee
Aixtron SE
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention initially relates to a method for depositing a two-dimensional layer on a substrate in a CVD reactor, in which a process gas is fed into a gas inlet element by means of a supply line, which has gas outlet openings which open into a process chamber in which the process gas or the decomposition products of which are brought into contact with a surface of a substrate in the process chamber, and in which the substrate is brought to a process temperature by means of a heating device, so that the two-dimensional layer is deposited on the surface.
  • the invention also relates to a use of a CVD reactor for carrying out the method.
  • CVD reactors are from DE 102011056589 Al and DE 102010016471 Al and from further extensive written status of the
  • DE 102004007984 A1 describes a method with which the temperature of a substrate surface can be measured with an ophic measuring device.
  • DE 102013111791 A1 describes the deposition of two-dimensional layers using a showerhead. The deposition of graphene with a reactor having a showerhead is described in WO 2017/029470 A1. Summary of the invention
  • the invention is based on the object of technologically improving the method for depositing a two-dimensional layer and of specifying a device that can be used for this purpose.
  • a gas flow of the process gas with a first gas flow value (first gas flow) is fed into the process chamber during heating or after heating the substrate to a process temperature.
  • the gas flow with the first gas flow value has the effect that a partial pressure of one or more reactive gases is established in the process chamber which is below a threshold value at which a solid layer is deposited on the substrate.
  • the start of feeding in the process gas can be made dependent on the reaching of a temperature. For example, it can be provided that the feeding in of the first gas flow is started when the heating process has ended and the surface of the substrate has reached the process temperature.
  • the feeding in of the first gas flow of the process gas can, however, also begin beforehand.
  • the gas flow of the process gas is set so low that no growth of the two-dimensional layer is observed on the substrate surface.
  • the gas flow of the process gas is then increased in steps or continuously, linearly or non-linearly, in particular after reaching the process temperature, until a growth of the layer on the substrate is observed.
  • the partial pressure of the one or more reactive gases in the process chamber increases until - with a two- th value of the gas flow - the threshold value has been reached.
  • This second gas flow of the process gas is then increased by a predetermined value, which can also be 0.
  • the two-dimensional layer is then deposited.
  • the partial pressure of the one or more reactive gases is set to a value which is above the threshold value.
  • the value is chosen so that a layer is deposited on the substrate during the third gas flow, i.e. layer growth takes place.
  • layer growth takes place.
  • island-like growth is observed. Since growth begins there at many nucleation sites in many different areas on the substrate, a layer produced in this way has a poor layer quality.
  • an amorphous carbon layer or multiple layers can be formed. This disadvantage is intended to be eliminated with the method according to the invention or the use of a CVD reactor according to the invention.
  • the aim is to specify an optimal growth process for depositing a two-dimensional layer with high quality.
  • a CVD reactor used according to the invention has a gas-tight housing which can be evacuated.
  • a gas inlet element which can be fed with the process gas consisting of one or more reactive gases or alternatively with an inert gas via a feed line.
  • the gas inlet element can have a gas distribution chamber. It can, for example, have the shape of a showerhead.
  • the process gas can flow into a gas outlet plate, which forms a flat gas outlet surface Process chamber flow.
  • the gas outlet plate forms a large number of evenly distributed gas outlet openings.
  • the gas outlet openings can be formed by the ends of tubes which cross a cooling chamber that is directly adjacent to the gas outlet plate.
  • One or more gas distribution chambers are flow-connected to the gas outlet surface with the tubes.
  • a contact surface of a susceptor which can be a coated or uncoated graphite body, runs at a distance from the gas outlet surface. The susceptor picks up the substrate on its support surface.
  • a heating device for example a resistance heater, an infrared heater or an inductive RF heater, with which the susceptor or the substrate can be heated to a process temperature, is arranged on the side of the susceptor opposite the support surface.
  • the surface temperature of the substrate is measured with an optical device.
  • the optical device is optically connected to the surface of the substrate via a beam path in order to observe the surface.
  • the gas inlet element can have a window made of a material transparent to the wavelength used, through which the beam path passes.
  • the beam path can also pass through one of the tubes.
  • the optical device can be a pyrometer and is preferably a two-wavelength pyrometer in which a spectrum is recorded in two different wavelength ranges, for example 350 to 1050 nm and 1050 to 1750 nm.
  • a third spectrum can be calculated from the two spectra, which can be used to determine the surface temperature of the substrate.
  • a value is determined from the spectra and from this the surface temperature. This can be used as a Measurement curve can be displayed.
  • the time course of the value can be used not only to determine the temperature, but also to determine the beginning of the layer growth or to determine the beginning of a multilayer growth.
  • the measurement curve can also be used to end the deposition process.
  • the measured value used to determine the temperature before the start of the deposition of the layer corresponds to a measurement curve running in a straight line over time.
  • the measurement curve of the value recorded over time and supplied by the optical measuring device runs essentially with a constant, in particular negative, slope. It was observed that the course of the measurement curve changes as soon as the layer begins to be deposited. In particular, it was found that the slope of the measurement curve increases slightly at the beginning of the layer growth and then falls again, so that a local maximum or minimum arises in the measurement curve. It was also observed that the value of the slope of the measurement curve becomes larger or smaller again after passing through the peak.
  • the first gas flow is increased until a first characteristic change appears in the course of the measurement curve, in particular until the slope of the measurement curve measured with the optical measuring device increases for the first time.
  • the mass flow of the process gas that is fed into the process chamber at this point in time is referred to as the second gas flow.
  • This second gas flow is then increased by a predetermined value to a third gas flow at which the layer is deposited.
  • the specified value can be greater than 0. It can be at least 5 percent of the second gas flow, at least 10 percent of the second gas flow, or at least 20 percent of the second gas flow.
  • the layers deposited with the process according to the invention or the use according to the invention can be transition metal dichalcogenides. In particular, it can be the material pairings that are mentioned in DE 102013111 791 A1, with the process gases mentioned there being able to be used for the deposition of these materials. The disclosure content of DE 102013111791 A1 is therefore fully included in this application.
  • Graphene, MoS2, MoSe2, WS2 or WSe2 or hBN is particularly preferably deposited.
  • a hydrocarbon such as methane, is used as the process gas to separate graphene.
  • W (CO) 6 can be used to deposit tungsten compounds.
  • a noble gas for example argon, can be used as the carrier gas. However, it is also intended to use borazine as the reactive gas when separating hBN.
  • the process chamber height can be varied during the deposition, i.e. the distance between the contact surface of the susceptor and the gas outlet surface can be varied.
  • a sapphire substrate is preferably used as the substrate. However, silicon substrates or other substrates can also be used.
  • two-dimensional layers can be deposited with only one reactive gas, for example graphene or borazine.
  • one reactive gas for example graphene or borazine.
  • the two-dimensional layers can be deposited with the aid of two reactive gases, one reactive gas containing the transition metal and the other reactive gas containing a chalcogenide.
  • sulfur this is preferably di-tert-butyl sulfide.
  • FIG. 1 schematically shows a cross section through a CVD reactor of a first embodiment and schematically the components of a gas mixing system necessary to explain the invention
  • FIG. 2 enlarges the detail II in FIG. 1,
  • FIG. 4b shows a representation according to FIG. 3 of the time course of the gas flow of the reactive gas into the process chamber
  • FIG. 5 shows a measurement curve similar to FIG. 4a, but with the reactive gas being fed into the process chamber over the entire time t,
  • FIG. 6 shows a representation according to FIG. 1 of a second exemplary embodiment
  • FIG. 7 enlarges the detail VII in FIG. 6, 8 shows the influence of a process chamber height h on the layer growth at different total pressures.
  • the device shown in Figures 1 and 6, 7 is a CVD reactor 1.
  • the CVD reactor 1 has a housing which is gas-tight and which can be evacuated with a vacuum pump, not shown.
  • the vacuum pump can be connected to a gas outlet element 7.
  • the gas inlet element 2 which has the shape of a shower head.
  • the gas inlet element 2 has two gas distribution chambers 11, 21, each of which has a feed line 10, 20 through which a gas can be fed into the respective gas distribution chamber 11, 21.
  • the leads 10, 20 protrude through the wall of the housing.
  • the gas distribution chambers 11, 21 are arranged vertically one above the other.
  • a cooling chamber 8 is located below the gas distribution chamber 21.
  • a coolant can be fed into the cooling chamber 8 through a feed line 8 ′.
  • the coolant leaves the cooling chamber 8 through a discharge line 8 ′′.
  • the supply line 8 ′ and the discharge line 8 ′′ protrude through a wall of the housing of the CVD reactor 1.
  • FIG. 1 also shows a section of a gas mixing system for providing the process gases.
  • Two reactive gases are generated by the evaporation of liquids or solids.
  • the liquid or a powder are stored in gas-tight containers (Bubbier 32, 32 ').
  • a mass flow controller 30, 30 ' is used to feed an inert gas from an inert gas source 39, 39' into the respective Bubbier 32, 32 '.
  • the Bubbier 32, 32 ' are kept at a constant temperature in temperature baths. th.
  • a vapor of the reactive gas, which is transported with the inert gas acting as a carrier gas, emerges from the respective Bubbier 32, 32 '.
  • the concentration of the reactive gas in the outlet stream is measured with a concentration measuring device 31, 31 '. This is a device sold under the brand "Epison".
  • the two different gas lines for transporting the reactive gas can each with a switching valve 33, 33 'either in a vent line 35, which bypasses the gas at the reactor 1, or in a run line 34, 34', which Gas in the reactor 1 passes, are fed.
  • a control device 29 is provided which the temperature of the
  • the measurement results of the concentration measuring device 31, 31 ′ are also fed to the control device 29.
  • the run line 34 of the branch of the gas supply shown on the right in FIG. 1 opens into the feed line 20.
  • the run line 34 ′ opens into the feed line 10.
  • a carrier gas / inert gas can also be fed into the gas inlet element 2 by means of the mass flow controller 37, 37 'and the valves 36, 36'.
  • the reference numerals 40, 40 ' denote sources for reactive gases, which are, for example, carbon compounds and in particular hydrocarbons, such as methane, which are used for the deposition of graphene. These reactive gas sources 40, 40 'are flow-connected to the run lines 34, 34' via mass flow controllers 41, 41 'and valves 38, 38'. With the gas mixing system shown in FIG. 1, two different reactive gases can optionally be fed into the two separate gas distribution chambers 11, 21 at the same time.
  • CVD reactor 1 differs from the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2 essentially in that only one gas distribution chamber 11 is provided. This is connected to a tube 12 with a gas outlet surface 25, so that the process gas fed into the gas distribution chamber 11 can flow through the tube 12 into a process chamber 3.
  • the gas mixing system indicated in FIG. 6 has only one bubbler 32, into which a carrier gas is fed by means of the mass flow controller 30.
  • the concentration of the vapor transported in the carrier gas can be determined with the concentration measuring device 31.
  • the switching valve 33 With the switching valve 33, the mass flow of the reactive gas can be fed either into a vent line 35 or into the run line 34.
  • An inert gas can be fed into the run line 34 by means of the mass flow controller 37. To do this, the valve 36 is to be opened.
  • additional tubes 22 are provided which connect a second gas distribution chamber 21 to the gas outlet surface 25.
  • the gas outlet surface 25 which is from a Gas outlet plate 9 is formed, there are gas outlet openings 14, 24 distributed uniformly over the entire gas outlet surface 25, each of which is connected to a tube 12, 22.
  • the tubes 12 are connected to an intermediate plate 23 which separates the gas distribution chamber 21 from the cooling chamber 8.
  • the tubes 22 are connected to an intermediate plate 13 which separates the gas distribution chamber 11 from the gas distribution chamber 21.
  • FIG. 8 shows the influence of a variation in the process chamber height on the growth rate of the deposited layer at different total pressures in the process chamber 3.
  • the susceptor 5 is heated from below by means of a heating device 6.
  • the heating device can be a resistance heater, an IR heater, an RF heater or some other power source with which the thermal energy is supplied to the susceptor 5.
  • the susceptor 5 is surrounded by a gas outlet element 7 through which the gaseous reaction products and a carrier gas are discharged.
  • One of the tubes 12 ' is used as a passage channel for a beam path 18 of an optical device.
  • the cover plate 16 of the gas inlet element 2 has a window 17 through which the beam path 18 passes.
  • the beam path 18 runs between a pyrometer 19, which is a two-wavelength pyrometer, and the support surface 15 or the Surface of a substrate 4 which rests on the support surface 15.
  • the temperature of the substrate surface can be measured with the pyrometer 19.
  • FIGS. 4a and 5 show measurement curves which were measured over time t and which can be interpreted as temperature measured values. When heating up, the temperature rises to a maximum. After that, the measurement curve drops slightly in a straight line with approximately a constant slope.
  • FIG. 4a shows a first peak 27.
  • FIG. 5 also shows a second peak 27 '.
  • FIG. 4a shows a measurement curve in which at a point in time ti a first gas flow Qi of a reactive gas (for example methane) or a mixture of several reactive gases is fed into the process chamber.
  • a reactive gas for example methane
  • the mass flow of the process gases is steadily increased up to a time b.
  • the time b is characterized in that the slope of the measurement curve 26 increases. Observations have shown that this correlates with the event at which the layer begins to grow on the layer. With the formation of the peak 27, the slope of the measurement curve 26 then changes continuously during the deposition of the layer in such a way that the slope drops until it rises again at a point in time t 4. Observations have shown that the increase in the measurement curve is accompanied by an end to the two-dimensional growth.
  • the inventive method begins with the provision of a CVD reactor of the type described above.
  • a substrate 4 to be coated is placed in the CVD reactor.
  • the substrate is located on the support surface 15.
  • the temperature of the substrate 4 is increased by means of the heating device 6 from a point in time denoted by ti in FIG.
  • a low mass flow Ql of the process gas (methane, for example, when graphene is deposited) can be fed into the process chamber.
  • the mass flow Qi is less than a mass flow that is sufficient to cause layer growth.
  • the substrate 4 is only heated in the presence of a carrier gas, for example argon, and the process gas is only switched on at a later point in time.
  • the mass flow of the process gas is increased continuously or gradually, linearly or non-linearly.
  • the surface of the substrate 4 is observed by means of the pyrometer 9.
  • the course of the measurement curve initially runs in a straight line until the slope of the measurement curve changes by increasing it.
  • the value of the gas flow Q2 flowing at this time b is stored.
  • a third gas flow Q3 is calculated by adding a predetermined value to the value of the second gas flow Q2. The gas flow is then increased up to the third gas flow value Q3. This mass flow 28 is maintained for the layer growth.
  • the predefined value by which the second gas flow Q2 is increased or the difference between the third gas flow Q3 and the second gas flow Q2 can be 20 percent of the second gas flow Q2.
  • the layer is deposited until a second event is detected when observing the measurement curve 26, in which, after a previous decrease in the slope of the measurement curve 26, the measurement curve rises again. This event, which takes place at time t 4 , is used as an opportunity to switch off the supply of the process gas.
  • a silicon carbide-coated susceptor When depositing hBN, a silicon carbide-coated susceptor can be used.
  • NH3 among other things, is used as a reactive gas of the process gas. This gas attacks uncoated graphite.
  • silicon carbide reacts with hydrogen at substrate temperatures of over 1300 ° C.
  • Borazine (B3N3H6) can be used as a reactive gas. This allows hBN to be deposited at temperatures in the range between 1400 ° C and 1500 ° C.
  • a noble gas, for example argon, is used as the carrier gas or inert gas.
  • the growth rate is increased at a predetermined speed, which depends on the increase in the gas flow from the second to the third gas flow, from a very low value to a larger value at the beginning of the growth. This allows a control of the initial growth, in particular of graphene, and reduces the number of nucleation sites and thus increases the quality of the two-dimensional graphene layer.
  • the method according to the invention relates to all of the material pairings mentioned at the beginning and in particular to the deposition of two-dimensional heterostructures.
  • a method which is characterized in that during the heating or after the heating of the substrate 4 to the process temperature Tp, a gas flow with a first value Qi of the process gas is fed into the process chamber 3, in which on the surface of the substrate 4 no layer growth takes place, then the gas flow is increased while observing the substrate surface up to the beginning of the layer growth at a second value Q2 of the gas flow and then the gas flow is increased to a third value Q3, which corresponds to the sum of the second value Q2 with a predetermined value, and with the gas flow with the third value Q3, the layer is deposited.
  • a use which is characterized in that during the heating or after the heating of the substrate 4 to the process temperature Tp, a gas flow with a first value Qi of the process gas is fed into the process chamber 3, in which on the surface of the substrate 4 no layer growth takes place, then the gas flow is increased while observing the substrate surface up to the beginning of the layer growth at a second value Q2 of the gas flow and then the gas flow is increased to a third value Q3, which corresponds to the sum of the second value Q2 with a predetermined value , and with the gas flow with the third value Q3 the layer is deposited.
  • a method or use which is characterized in that an optical device 19 is used to observe the substrate surface or is provided on the CVD reactor 1.
  • a method or use which is characterized in that the gas inlet member 2 has a gas outlet surface 25 extending over a support surface 15 of the susceptor 5 with a plurality of evenly distributed gas outlet openings 14, 24 which are flow-connected to a gas distribution volume 11, 21 .
  • a method or use which is characterized in that the gas outlet surface 25 is formed by a gas outlet plate 9 of the gas inlet element 2, which is adjoined by a cooling chamber 8 through which a coolant flows.
  • a method or use which is characterized in that a beam path 18 of the optical device 19 passes through the gas inlet element 2 and / or that a cover plate 16 of the gas inlet element 2 has a window 17 that is transparent for the wavelengths used and into the gas outlet surface 25 a tube 12 'opens, through which the beam path 18 passes.
  • a method or use which is characterized in that a distance between a support surface 15 of the susceptor 5 and the gas outlet surface 25 is changed during the deposition.
  • a method or use which is characterized in that the process gas is generated by passing a carrier gas through a Bubbier 32, 32 'containing a solid or liquid starting material.
  • a method or use which is characterized in that the concentration of the vapor of the starting substance in the carrier gas is determined with a gas concentration measuring device 31, 31 'downstream of the bubbier 32, 32'.
  • a method or use which is characterized in that while the layer is being deposited, the surface continues to be observed and / or the measurement curve 26 is further evaluated in order to switch off the gas flow of the process gas when an event occurs and / or when Detection of a change in the slope of the measurement curve 26, the gas flow of the process gas is switched off, the change in particular being an increase or a decrease.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einen Substrat in einem CVD-Reaktor (1), bei dem mittels einer Zuleitung (10) ein Prozessgas in ein Gaseinlassorgan (2) eingespeist wird, welches Gasaustrittsöffnungen (14, 24) aufweist, die in eine Prozesskammer (3) münden, bei dem das Prozessgas in der Prozesskammer (3) oder dessen Zerlegungsprodukte zu einer Oberfläche des Substrates (4) gebracht werden, und bei dem das Substrat (4) mittels einer Heizeinrichtung (6) auf eine Prozesstemperatur (TP) gebracht wird, sodass sich nach einer chemischen Reaktion des Prozessgases die zweidimensionale Schicht auf der Oberfläche bildet. Erfindungsgemäß wird während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates (4) auf die Prozesstemperatur (TP) zunächst ein erster Gasfluss (Q1) des Prozessgases in die Prozesskammer (3) eingespeist wird, bei dem auf der Oberfläche des Substrates (4) kein Schichtwachstum stattfindet, danach der Gasfluss des Prozessgases unter Beobachtung der Substratoberfläche so lange bis zu einem zweiten Gasfluss (Q2) erhöht wird, bei dem das Schichtwachstum beginnt, und anschließend der Gasfluss des Prozessgases um einen vorgegebenen Wert auf einen dritten Gasfluss (Q3) erhöht wird, bei dem die Schicht abgeschieden wird. Der Beginn des Schichtwachstums wird dabei durch eine Beobachtung des zeitlichen Verlaufes einer Messkurve (26) eines Pyrometers erkannt.

Description

Beschreibung
Verwendung eines CVD Reaktors zum Abscheiden zweidimensionaler Schichten
Gebiet der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einen Substrat in einem CVD-Reaktor, bei dem mittels einer Zuleitung ein Prozessgas in ein Gaseinlassorgan eingespeist wird, welches Gasaustrittsöffnungen aufweist, die in eine Prozesskammer münden, bei dem das Prozessgas oder dessen Zerlegungsprodukte in der Prozesskammer in Kontakt mit einer Oberfläche eines Substrates gebracht wird, und bei dem das Substrat mittels einer Heizeinrichtung auf eine Prozesstemperatur ge- bracht wird, sodass auf der Oberfläche die zweidimensionale Schicht abgeschieden wird.
[0002] Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verwendung eines CVD- Reaktors zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
[0003] CVD-Reaktoren sind aus den DE 102011056589 Al und DE 102010016471 Al sowie aus weiterem umfangreichen schriftlichen Stand der
Technik vorbekannt. Die DE 102004007984 Al beschreibt ein Verfahren, mit dem mit einem ophschen Messgerät die Temperatur einer Substratoberfläche gemessen werden kann. Die DE 102013111791 Al beschreibt das Abscheiden zweidimensionaler Schichten unter Verwendung eines Showerheads. Das Ab- scheiden von Graphen mit einem einen Showerhead aufweisenden Reaktor wird in der WO 2017/029470 Al beschrieben. Zusammenfassung der Erfindung
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht technologisch zu verbessern und eine hierzu verwendbare Vorrichtung anzugeben.
[0005] Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Erfindung, sondern auch eigene technische Lösungen der Aufgabe darstellen.
[0006] Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates auf eine Prozesstemperatur ein Gasfluss des Prozessgases mit einem ersten Gasflusswert (erster Gasfluss) in die Prozesskammer eingespeist wird. Der Gasfluss mit dem ersten Gasflusswert hat die Wirkung, dass sich in der Prozesskammer ein Partialdruck eines oder mehrerer reaktiver Gase einstellt, der unterhalb eines Schwellwertes liegt, bei dem auf dem Substrat eine Festkörperschicht abgeschieden wird. Der Beginn des Einspeisens des Prozessgases kann von dem Erreichen einer Temperatur abhängig gemacht werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Einspeisen des ersten Gasflusses begonnen wird, wenn der Aufheizprozess beendet ist und die Oberfläche des Substrates die Prozesstemperatur erreicht hat. Das Einspeisen des ersten Gasflusses des Prozessgases kann aber auch vorher beginnen. Der Gasfluss des Prozessgases wird dabei so gering eingestellt, dass auf der Substratoberfläche kein Wachstum der zweidimensionalen Schicht beobachtet wird. Erfindungsgemäß wird der Gasfluss des Prozessgases dann insbesondere nach Erreichen der Prozesstemperatur schrittweise oder kontinuierlich, linear oder nicht linear so lange erhöht, bis ein Wachstum der Schicht auf dem Substrat beobachtet wird. Dabei erhöht sich der Partialdruck des einen oder der mehreren reaktiven Gase in der Prozesskammer bis - bei einem zwei- ten Wert des Gasflusses - der Schwellwert erreicht ist. Im Anschluss daran wird dieser zweite Gasfluss des Prozessgases um einen vorgegebenen Wert, der auch 0 sein kann, erhöht. Bei diesem dritten Gasfluss findet dann die Abscheidung der zweidimensionalen Schicht statt. Dabei wird der Partialdruck der ein oder mehreren reaktiven Gase auf einen Wert gesetzt, der oberhalb des Schwellwertes liegt. Der Wert wird so gewählt, dass beim dritten Gasfluss eine Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird, also Schichtwachstum stattfindet. Beim Abscheiden zweidimensionaler Schichten gemäß den Verfahren des Standes der Technik, die insbesondere in dem eingangs genannten Schriften offenbart wer- den, wird inselförmiges Wachstum beobachtet. Indem dort an vielen Keimstellen in vielen unterschiedlichen Gebieten auf dem Substrat Wachstum beginnt, besitzt eine derartig gefertigte Schicht eine geringe Schichtqualität. Es kann sich neben einer zweidimensionalen Schicht, beispielsweise einer Graphenschicht eine amorphe Kohlenstoffschicht oder es können sich Mehrfachschichten aus- bilden. Dieser Nachteil soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der erfindungsgemäßen Verwendung eines CVD-Reaktors behoben werden. Ziel ist die Angabe eines optimalen Wachstums verfahrene zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht mit hoher Qualität. Der erfindungsgemäße Lösungsansatz betrifft die Kontrolle des Gasflusses in der Wachstumsphase derart, dass oberhalb des Substrates ein Partialdruck des Prozessgases eingestellt wird, der um einen vorgegebenen Wert oberhalb eines Schwellwertes liegt, wobei der Schwellwert von dem Partialdruck definiert ist, bei dem sich der Zustand zwischen Nichtwachstum und Wachstum ändert. Ein erfindungsgemäß verwendeter CVD-Reaktor besitzt ein gasdichtes Gehäuse, welches evakuierbar ist. In dem Gehäuse befindet sich ein Gaseinlassorgan, welches mit einer Zuleitung mit dem aus ein oder mehreren reaktiven Gasen bestehenden Prozessgas oder alternativ mit einem Inertgas gespeist werden kann. Das Gaseinlassorgan kann eine Gasverteilkammer aufweisen. Es kann beispielsweise die Form eines Showerheads besitzen. Aus einer Gasaustritts- platte, die eine ebene Gasaustrittsfläche ausbildet, kann das Prozessgas in eine Prozesskammer fließen. Hierzu bildet die Gasaustrittsplatte eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Gasaustrittsöffnungen aus. Die Gasaustrittsöffnungen können von den Enden von Röhrchen gebildet sein, die eine Kühlkammer kreuzen, die unmittelbar an die Gasaustrittsplatte angrenzt. Mit den Röhrchen werden ein oder mehrere Gasverteilkammern mit der Gasaustrittsfläche strömungsverbunden. Mit einem Abstand zur Gasaustrittsfläche verläuft eine Auflagefläche eines Suszeptors, bei dem es sich um einen beschichteten oder unbeschichteten Graphitkörper handeln kann. Der Suszeptor nimmt auf seiner Auflagefläche das Substrat auf. Auf der der Auflagefläche gegenüberliegenden Seite des Suszeptors ist eine Heizeinrichtung, beispielsweise eine Widerstandsheizung, eine Infrarotheizung oder eine induktive RF-Heizung angeordnet, mit der der Suszeptor beziehungsweise das Substrat auf eine Prozesstemperatur auf geheizt werden kann. Während des Aufheizens des Suszeptors, bei dem ein Inertgas in die Prozesskammer eingespeist werden kann, bei dem aber auch bereits ein geringerer erster Gasfluss des Prozessgases in die Prozesskammer eingespeist werden kann, wird die Oberflächentemperatur des Substrates mit einem optischen Gerät gemessen. Das optische Gerät ist über einen Strahlengang optisch mit der Oberfläche des Substrates verbunden, um so die Oberfläche zu beobachten. Hierzu kann das Gaseinlassorgan ein Fenster aus einem für die verwendete Wellenlänge transparenten Material aufweisen, durch das der Strahlengang hindurchtritt. Der Strahlengang kann ferner durch eines der Röhrchen hindurchtreten. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen in der DE 102004007984 Al verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll von der Offenbarung dieser Anmeldung mitumfasst wird. Das optische Gerät kann ein Pyrometer sein und ist bevorzugt ein Zweiwellenlängen-Pyrometer, bei dem in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen, beispielsweise 350 bis 1050 nm und 1050 bis 1750 nm ein Spektrum aufgenommen wird. Aus den beiden Spektren kann ein drittes Spektrum berechnet werden, welches zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Substrates verwendet werden kann. Aus den Spektren wird ein Wert ermittelt und daraus die Oberflächentemperatur. Diese kann als Messkurve dargestellt werden. Überraschenderweise kann der zeitliche Verlauf des Wertes nicht nur zur Temperaturbestimmung, sondern auch zur Ermittlung des Beginns des Schichtwachstums oder zur Ermittlung des Beginns eines Mehrschichtwachstums verwendet werden. Die Messkurve kann darüber hin- aus verwendet werden, um den Abscheideprozess zu beenden. Es wurde beobachtet, dass der zur Ermittlung der Temperatur verwendete Messwert vor dem Beginn des Abscheidens der Schicht einer geradlinig über die Zeit verlaufenden Messkurve entspricht. Die Messkurve des über die Zeit aufgenommenen von dem optischen Messgerät gelieferten Wertes verläuft im Wesentlichen mit einer konstanten insbesondere negativen Steigung. Es wurde beobachtet, dass mit Beginn des Abscheidens der Schicht der Verlauf der Messkurve sich ändert. Es wurde insbesondere gefunden, dass die Steigung der Messkurve zum Beginn des Schichtwachstums leicht ansteigt und danach wieder abfällt, so dass ein lokales Maximum oder Minimum in der Messkurve entsteht. Es wurde ferner beobachtet, dass zeitlich nach dem Durchlaufen der Spitze der Wert der Steigung der Messkurve wieder größer oder kleiner wird. Zu diesem Zeitpunkt ist eine vollständige Schicht abgeschieden beziehungsweise ab diesem Zeitpunkt ist mit einem Mehrlagenwachstum beziehungsweise dem Abscheiden einer amorphen Kohlenstoffschicht zu rechnen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der erste Gasfluss so lange erhöht, bis sich eine erste charakteristische Änderung im Verlauf der Messkurve zeigt, insbesondere bis sich die Steigung der mit dem optischen Messgerät gemessenen Messkurve erstmalig erhöht. Der Massenfluss des Prozessgases, der zu diesem Zeitpunkt in die Prozesskammer eingespeist wird, wird als zweiter Gasfluss bezeichnet. Dieser, zweite Gasfluss wird dann um einen vorgegebenen Wert zu einem dritten Gasfluss erhöht, bei dem die Schicht abgeschieden wird. Der vorgegebene Wert kann größer 0 sein. Er kann mindestens 5 Prozent des zweiten Gasflusses, mindestens 10 Prozent des zweiten Gasflusses oder mindestens 20 Prozent des zweiten Gasflusses sein. Er kann aber auch etwa 20 Prozent des zweiten Gas- flusses sein. Er kann auch maximal 20 Prozent oder maximal 25 Prozent des zweiten Gasflusses sein. Der Verlauf der Messkurve wird weiter beobachtet, bis sich eine weitere charakteristische Änderung in der Messkurve zeigt. Diese charakteristische Änderung des Verlaufs der Messkurve kann ein erneutes Ansteigen der Steigung der Messkurve sein. Wird dieses Ereignis gefunden, so wird der Prozessgasfluss abgeschaltet. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungs gern äßen Verwendung abgeschiedenen Schichten können Übergangsmetall-Dichalkogenide sein. Es können insbesondere die Materialpaarungen sein, die in der DE 102013111 791 Al genannt sind, wobei zur Abscheidung dieser Materialien die dort genannten Prozessgase verwendet werden können. Der Offenbarungsgehalt der DE 102013111791 Al wird deshalb vollinhaltlich mit in dieser Anmeldung einbezogen. Besonders bevorzugt wird Graphen, M0S2, MoSe2, WS2 oder WSe2 oder hBN abgeschieden. Zum Abscheiden von Graphen wird als Prozessgas ein Kohlenwasserstoff verwendet, beispielsweise Methan. Zum Abscheiden von Wolfram-Verbindungen kann W(CO)6 verwendet werden. Als Trägergas kann ein Edelgas, beispielsweise Argon verwendet werden. Es ist aber auch vorgesehen, beim Abscheiden von hBN Borazin als reaktives Gas zu verwenden. Zur Beeinflussung der Wachstumsgeschwindigkeit kann während des Abscheidens die Prozesskammerhöhe variiert werden, also der Abstand zwischen Auflagefläche des Suszeptors und Gasaustrittsfläche variiert werden. Als Substrat wird bevorzugt ein Saphirsubstrat verwendet. Es können aber auch Silizium Substrate oder andere Substrate verwendet werden. Erfindungsgemäß können zweidimensionale Schichten mit nur einem reaktiven Gas, beispielsweise Graphen oder Borazin, abgeschieden werden. Es ist aber auch vorgesehen, die zweidimensionalen Schichten mit Hilfe von zwei reaktiven Gasen abzuscheiden, wobei ein reaktives Gas das Übergangsmetall und das andere reaktive Gas, das ein Chalkogenid enthält. Im Falle von Schwefel handelt es sich dabei bevorzugt um di-tert-butyl-sulfid. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0007] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen CVD-Reaktor eines ersten Ausführungsbeispiels sowie schematisch die zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Bestandteile eines Gasmischsystems,
Fig. 2 vergrößert den Ausschnitt II in Figur 1,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Prozessgase
Fig. 4a eine Messkurve 26 eines Zweiwellenpyrometers während des Abscheidens der Schicht,
Fig. 4b eine Darstellung gemäß Figur 3 des zeitlichen Verlaufs des Gasflusses des reaktiven Gases in die Prozesskammer,
Fig. 5 eine Messkurve ähnlich Figur 4a, wobei jedoch über die gesamte Zeit t das reaktive Gas in die Prozesskammer eingespeist worden ist,
Fig. 6 eine Darstellung gemäß Figur 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 vergrößert den Ausschnitt VII in Figur 6, Fig. 8 den Einfluss einer Prozesskammerhöhe h auf das Schichtwachstum bei verschiedenen Totaldrücken.
Beschreibung der Ausführungsformen
[0008] Die in den Figuren 1 und 6, 7 dargestellte Vorrichtung ist ein CVD- Reaktor 1. Der CVD-Reaktor 1 besitzt ein Gehäuse, welches gasdicht ist und welches mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuier bar ist. Die Vakuumpumpe kann an ein Gasauslassorgan 7 angeschlossen werden.
[0009] Innerhalb des CVD-Reaktors 1 befindet sich ein Gaseinlassorgan 2, welches die Form eines Duschkopfes (Showerhead) aufweist. Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Gaseinlassorgan 2 zwei Gasverteilkammern 11, 21, in die jeweils eine Zuleitung 10, 20 mündet, durch die ein Gas in die jeweilige Gasverteilkammer 11, 21 eingespeist werden kann. Die Zuleitungen 10, 20 ragen durch die Wand des Gehäuses. Die Gasverteilkammern 11, 21 sind vertikal übereinander angeordnet. Unterhalb der Gasverteilkammer 21 befindet sich eine Kühlkammer 8. Durch eine Zuleitung 8' kann ein Kühlmittel in die Kühlkammer 8 eingespeist werden. Das Kühlmittel verlässt die Kühlkammer 8 durch eine Ableitung 8". Die Zuleitung 8' und die Ableitung 8" ragen durch eine Wandung des Gehäuses des CVD-Reaktors 1 hindurch.
[0010] Die Figur 1 zeigt ferner einen Ausschnitt eines Gasmischsystems zur Bereitstellung der Prozessgase. Zwei reaktive Gase werden jeweils durch Verdampfen von Flüssigkeiten oder von Festkörpern erzeugt. Die Flüssigkeit beziehungsweise ein Pulver werden in gasdichten Behältern (Bubbier 32, 32') bevorratet. Mit einem Massenflusskontroller 30, 30' wird jeweils ein Inertgas aus einer Inertgasquelle 39, 39' in den jeweiligen Bubbier 32, 32' eingespeist. Die Bubbier 32, 32' werden in Temperaturbädern auf konstanter Temperatur gehal- ten. Aus dem jeweiligen Bubbier 32, 32' tritt ein mit dem als Trägergas wirkenden Inertgas transportierter Dampf des reaktiven Gases aus. Die Konzentration des reaktiven Gases im Ausgangsstrom wird mit einem Konzentrationsmessgerät 31, 31' gemessen. Es handelt sich dabei um ein unter der Marke „Epison" vertriebenes Gerät.
[0011] Die beiden verschiedenen Gasleitungen zum Transport des reaktiven Gases können jeweils mit einem Umschaltventil 33, 33' entweder in eine Vent- Leitung 35, die das Gas am Reaktor 1 vorbeileitet, oder in eine Run-Leitung 34, 34', die das Gas in den Reaktor 1 leitet, eingespeist werden. [0012] Es ist eine Steuereinrichtung 29 vorgesehen, die die Temperatur der
Heizbäder und den Massenflusskontroller 30, 30' steuert. Die Messergebnisse des Konzentrationsmessgerätes 31, 31' werden ebenfalls der Steuereinrichtung 29 zugeführt.
[0013] Die Run-Leitung 34 des in der Figur 1 rechts dargestellten Zweigs der Gasversorgung mündet in die Zuleitung 20. Die Run-Leitung 34' mündet in die Zuleitung 10.
[0014] Anstelle des reaktiven Gases kann mittels der Massenflusskontroller 37, 37' und der Ventile 36, 36' auch ein Trägergas/ Inertgas in das Gaseinlassorgan 2 eingespeist werden. Mit den Bezugsziffern 40, 40' sind Quellen für reaktive Gase bezeichnet, bei denen es sich beispielsweise um Kohlenstoffverbindungen und insbesondere Kohlenwasserstoffe, wie Methan, handelt, die zum Abscheiden von Graphen verwendet werden. Über Massenflusskontroller 41, 41' und Ventile 38, 38' sind diese Reaktivgasquellen 40, 40' mit den Run-Leitungen 34, 34' strömungsverbunden. [0015] Mit den in der Figur 1 dargestellten Gasmischsystem können somit wahlweise zwei verschiedene reaktive Gase gleichzeitig in die beiden voneinander getrennten Gasverteilkammern 11, 21 eingespeist werden. Es können aber auch nacheinander beispielsweise zum Abscheiden einer Schichtenfolge, bestehend aus Graphen und hBN, in die Gasverteilkammer 11 Methan und in die Gasverteilkammer 21 ein Inertgas und anschließend in die Gasverteilkammer 21 Borazin und in die Gasverteilkammer 11 das Inertgas eingespeist werden. Durch periodisches Umschalten können so heterogene Schichtstrukturen abgeschieden werden. [0016] Das in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
CVD-Reaktors 1 unterscheidet sich von dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass nur eine Gasverteiler- kammer 11 vorgesehen ist. Diese ist mit Röhrchen 12 mit einer Gasaustrittsflä- che 25 verbunden, sodass das in die Gasverteilkammer 11 eingespeiste Prozess- gas durch die Röhrchen 12 hindurch in eine Prozesskammer 3 strömen kann.
[0017] Das in der Figur 6 angedeutete Gasmischsystem besitzt nur einen Bubb- ler 32, in dem mittels des Massenflusskontrollers 30 ein Trägergas eingespeist wird. Die Konzentration des im Trägergas transportierten Dampfes kann mit dem Konzentrationsmessgerät 31 ermittelt werden. Mit dem Umschaltventil 33 kann der Massenfluss des reaktiven Gases entweder in eine Vent-Leitung 35 oder in die Run-Leitung 34 eingespeist werden. Mittels des Massenflusskontrollers 37 kann ein Inertgas in die Run-Leitung 34 eingespeist werden. Hierzu ist das Ventil 36 zu öffnen.
[0018] Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich Röhrchen 22 vorgesehen, die eine zweite Gasverteilkammer 21 mit der Gasaustrittsfläche 25 verbinden. In der Gasaustrittsfläche 25, die von einer Gasaustrittsplatte 9 ausgebildet ist, befinden sich gleichmäßig über die gesamte Gasaustrittsfläche 25 verteilt angeordnete Gasaustrittsöffnungen 14, 24, die jeweils mit einem Röhrchen 12, 22 verbunden sind. Die Röhrchen 12 sind mit einer Zwischenplatte 23, die die Gasverteilkammer 21 von der Kühlkammer 8 trennt, verbunden. Die Röhrchen 22 sind mit einer Zwischenplatte 13 verbunden, die die Gasverteilkammer 11 von der Gasverteilkammer 21 trennt.
[0019] In einem Abstand h von der Gasaustrittsfläche 25 erstreckt sich eine Auflagefläche 15 eines aus beschichtetem oder unbeschichtetem Graphit bestehenden Suszeptors 5. Mit nicht dargestellten Hubelementen kann der Suszeptor 5 und/ oder das Gaseinlassorgan 2 angehoben beziehungsweise abgesenkt werden. Mit den Hubelementen kann der Abstand h variiert werden. Die Figur 8 zeigt den Einfluss einer Variation der Prozesskammerhöhe auf die Wachstumsrate der abgeschiedenen Schicht bei verschiedenen Totaldrucken in der Prozesskammer 3.
[0020] Der Suszeptor 5 wird von unten mittels einer Heizeinrichtung 6 beheizt. Bei der Heizeinrichtung kann es sich um eine Widerstandsheizung, eine IR- Heizung, um eine RF-Heizung oder eine anderweitige Leistungsquelle handeln, mit der Wärmeenergie dem Suszeptor 5 zugeführt wird.
[0021] Der Suszeptor 5 wird von einem Gasauslassorgan 7 umgeben, durch das gasförmige Reaktionsprodukte und ein Trägergas abgeführt werden.
[0022] Eines der Röhrchen 12' wird verwendet als Durchtrittskanal für einen Strahlengang 18 eines optischen Gerätes. Die Deckenplatte 16 des Gaseinlassorgans 2 besitzt ein Fenster 17, durch welches der Strahlengang 18 hindurchgeht. Der Strahlengang 18 verläuft zwischen einem Pyrometer 19, welches ein Zwei- wellenlängen-Pyrometer ist, und der Auflagefläche 15 beziehungsweise der Oberfläche eines Substrates 4, welches auf der Auflagefläche 15 aufliegt. Mit dem Pyrometer 19 kann die Temperatur der Substratoberfläche gemessen werden. Die Figuren 4a und 5 zeigen Messkurven, die über die Zeit t gemessen wurden und die als Temperaturmesswerte interpretiert werden können. Beim Aufheizen steigt die Temperatur an bis zu einem Maximum. Danach fällt die Messkurve etwa mit konstanter Steigung geradlinig schwach ab. Die Figur 4a zeigt einen ersten Peak 27. Die Figur 5 zeigt zusätzlich einen zweiten Peak 27'.
[0023] Die Figur 4a zeigt eine Messkurve, bei der zu einem Zeitpunkt ti ein erster Gasfluss Qi eines reaktiven Gases (beispielsweise Methan) oder einer Mi- schung mehrerer reaktiver Gase in die Prozesskammer eingespeist wird. Der Massenfluss der Prozessgase wird stetig bis zu einer Zeit b erhöht. Die Zeit b ist dadurch charakterisiert, dass die Steigung der Messkurve 26 ansteigt. Beobachtungen haben gezeigt, dass dies mit dem Ereignis korreliert, zu dem auf der Schicht das Schichtwachstum beginnt. Unter Ausbildung des Peaks 27 än- dert sich dann die Steigung der Messkurve 26 während des Abscheidens der Schicht stetig dahingehend, dass die Steigung abfällt, bis sie zu einem Zeitpunkt t4 wieder ansteigt. Beobachtungen haben gezeigt, dass das Ansteigen der Messkurve mit einem Beenden des zweidimensionalen Wachstums einhergeht.
[0024] Während bei der Messkurve gemäß Figur 4a der Massenfluss des Pro- zessgases zum Zeitpunkt t4 abgeschaltet worden ist, wurde bei der Aufnahme der Messkurve gemäß Figur 5 auch nach dem Peak 27 Prozessgas in die Prozesskammer eingespeist. Dabei bildete sich der Peak 27'.
[0025] Ausgehend von den Erkenntnissen wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt: [0026] Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit der Bereitstellung eines CVD-Reaktors der oben beschriebenen Art. In den CVD-Reaktor wird ein zu beschichtendes Substrat 4 gelegt. Das Substrat befindet sich auf der Auflagefläche 15. Die Temperatur des Substrates 4 wird mittels der Heizeinrichtung 6 von einem in der Figur 3 mit ti bezeichneten Zeitpunkt erhöht. Beim Ausführungsbeispiel kann dabei ein geringer Massenfluss Ql des Prozessgases (bei der Abscheidung von Graphen beispielsweise Methan) in die Prozesskammer eingespeist werden. Der Massenfluss Qi ist geringer, als ein Massenfluss, der ausreichend ist, um ein Schichtwachstum zu verursachen. Es kann aber auch vorge- sehen sein, dass das Substrat 4 lediglich in der Anwesenheit eines Trägergases, beispielsweise Argon, aufgeheizt wird und das Prozessgas erst zu einem späteren Zeitpunkt zugeschaltet wird.
[0027] Nachdem die Substratoberfläche die Prozesstemperatur Tp erreicht hat, die oberhalb von 1000°C liegen kann, wird der Massenfluss des Prozessgases kontinuierlich oder schrittweise linear oder nicht linear erhöht. Dabei wird mittels des Pyrometers 9 die Oberfläche des Substrates 4 beobachtet. Der Verlauf der Messkurve verläuft zunächst geradlinig, bis sich die Steigung der Messkurve ändert, indem sie ansteigt. Zum Zeitpunkt t2, zu dem das Ansteigen der Messkurve erkannt wird, wird der Wert des zu diesem Zeitpunkt b fließenden Gasflusses Q2 gespeichert. Es wird ein dritter Gasfluss Q3 berechnet, indem ein vorgegebener Wert auf den Wert des zweiten Gasflusses Q2 auf addiert wird. Der Gasfluss wird dann bis zum dritten Gasflusswert Q3 erhöht. Dieser Massenfluss 28 wird für das Schichtwachstum beibehalten. Der vorgegebene Wert, um den der zweite Gasfluss Q2 erhöht wird beziehungsweise die Differenz zwi- sehen drittem Gasfluss Q3 und zweitem Gasfluss Q2 kann 20 Prozent des zweiten Gasflusses Q2 betragen. [0028] Das Abscheiden der Schicht wird so lange durchgeführt, bis beim Beobachten der Messkurve 26 ein zweites Ereignis festgestellt wird, bei dem nach einem vorhergehenden Absinken der Steigung der Messkurve 26 die Messkurve wieder ansteigt. Dieses Ereignis, welches zum Zeitpunkt t4 stattfindet, wird zum Anlass genommen, die Zufuhr des Prozessgases abzuschalten.
[0029] Beim Abscheiden von hBN kann ein Siliziumkarbid-beschichteter Sus- zeptor verwendet werden. Als ein reaktives Gas des Prozessgases wird beim Stand der Technik unter anderem NH3 verwendet. Dieses Gas greift unbeschichtetes Graphit an. Andererseits reagiert Siliziumkarbid bei Substrattemperaturen von über 1300°C mit Wasserstoff. Es kann Borazin (B3N3H6) als reaktives Gas verwendet werden. Dies erlaubt das Abscheiden von hBN bei Temperaturen im Bereich zwischen 1400°C und 1500°C. Als Trägergas oder Inertgas wird ein Edelgas, beispielsweise Argon, verwendet.
[0030] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wachstumsrate mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, die von der Steigerung des Gasflusses vom zweiten zum dritten Gasfluss abhängt, zu Beginn des Wachstums von einem sehr geringen Wert zu einem größeren Wert gesteigert. Dies erlaubt eine Kontrolle des initialen Wachstums, insbesondere von Graphen, und reduziert die Anzahl der Keimstellen und steigert somit die Qualität der zweidimensionalen Graphenschicht.
[0031] Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft sämtliche eingangs genannte Materialpaarungen und insbesondere das Abscheiden von zweidimensionalen Hetero Strukturen.
[0032] Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zu- mindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
[0033] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates 4 auf die Prozesstemperatur Tp zunächst ein Gasfluss mit einem ersten Wert Qi des Prozessgases in die Prozesskammer 3 eingespeist wird, bei dem auf der Oberfläche des Substrates 4 kein Schichtwachstum stattfindet, danach der Gasfluss unter Beobachtung der Substratoberfläche bis zum Beginn des Schichtwachstums bei einem zweiten Wert Q2 des Gasflusses erhöht wird und anschließend der Gasfluss auf einen dritten Wert Q3 erhöht wird, der der Summe des zweiten Wertes Q2 mit einem vorgegebenen Wert entspricht, und bei dem Gasfluss mit dem dritten Wert Q3 die Schicht abgeschieden wird.
[0034] Eine Verwendung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates 4 auf die Prozesstemperatur Tp zunächst ein Gasfluss mit einem ersten Wert Qi des Prozessgases in die Prozesskammer 3 eingespeist wird, bei dem auf der Oberfläche des Substrates 4 kein Schichtwachstum stattfindet, danach der Gasfluss unter Beobachtung der Substratoberfläche bis zum Beginn des Schichtwachstums bei einem zweiten Wert Q2 des Gasflusses erhöht wird und anschließend der Gasfluss auf einen dritten Wert Q3 erhöht wird, der der Summe des zweiten Wertes Q2 mit einem vorgegebenen Wert entspricht, und bei dem Gasfluss mit dem dritten Wert Q3 die Schicht abgeschieden wird.
[0035] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass zur Beobachtung der Substiatoberfläche ein optisches Gerät 19 verwendet wird oder am CVD-Reaktor 1 vorgesehen ist. [0036] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das optische Gerät 19 ein Pyrometer und/ oder ein Zweiwellenlängen- Pyrometer ist.
[0037] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass zur Bestimmung des Beginns des Schichtwachstums eine bei der Beobachtung der Substratoberfläche aufgenommene Messkurve 26 des optischen Gerätes 19 ausgewertet wird und/ oder dass der Beginn des Schichtwachstums durch das Erkennen einer Änderung der Steigung der Messkurve 26 des optischen Gerätes 19 festgestellt wird, wobei die Änderung insbesondere ein An- stieg oder ein Abfall ist.
[0038] Ein Verfahren, bei dem die Messkurve zur Bestimmung der Anzahl der abgeschiedenen Schichten verwendet wird und/ oder dass die Anzahl der abgeschiedenen Schichten durch die Bestimmung der Anzahl der Maxima oder Minima in der Messkurve ermittelt wird. [0039] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der vorgegebene Wert größer 0 ist und/ oder mindestens 5 Prozent des zweiten Gasflusswertes Q2 oder mindestens 10 Prozent des zweiten Gasflusswertes Q2 oder mindestens 20 Prozent des zweiten Gasflusswertes Q2 ist.
[0040] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Gaseinlassorgan 2 eine sich über eine Auflagefläche 15 des Suszeptors 5 erstreckende Gasaustritts fläche 25 mit einer Vielzahl gleichmäßig verteilten Gasaustrittsöffnungen 14, 24 aufweist, die mit einem Gasverteilvolumen 11, 21 strömungsverbunden sind. [0041] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Gasaustrittsfläche 25 von einer Gasaustrittsplatte 9 des Gaseinlassorganes 2 ausgebildet ist, an die eine Kühlkammer 8 angrenzt, durch die ein Kühlmittel fließt. [0042] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein Strahlengang 18 des optischen Gerätes 19 durch das Gaseinlassorgan 2 hindurchtritt und/ oder dass eine Deckenplatte 16 des Gaseinlassorgans 2 ein für die verwendeten Wellenlängen transparentes Fenster 17 aufweisen und in die Gasaustrittsfläche 25 ein Röhrchen 12' mündet, durch welche der Strahlen- gang 18 hindurchtritt.
[0043] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass während des Abscheidens ein Abstand zwischen einer Auflagefläche 15 des Suszeptors 5 und der Gasaustrittsfläche 25 verändert wird.
[0044] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Prozessgas durch Hindurchleiten eines Trägergases durch einen einen festen oder flüssigen Ausgangsstoff enthaltenden Bubbier 32, 32' erzeugt wird.
[0045] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass mit einem Gaskonzentrationsmessgerät 31, 31' stromabwärts des Bubbiers 32, 32' die Konzentration des Dampfes des Ausgangs Stoffs im Trägergas ermit- telt wird.
[0046] Ein Verfahren oder Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass während des Abscheidens der Schicht die Oberfläche weiter beobachtet und/ oder die Messkurve 26 weiter ausgewertet wird, um beim Eintritt eines Ereignisses den Gasfluss des Prozessgases abzuschalten und/ oder dass beim Erkennen einer Änderung der Steigung der Messkurve 26 der Gasfluss des Prozessgases abgeschaltet wird, wobei die Änderung insbesondere ein Anstieg o- der ein Abfall ist.
[0047] Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unter ansprüche charakterisieren, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/ oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden kön- nen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einen Substrat in einem CVD-Reaktor (1), bei dem mittels einer Zuleitung (10) ein Prozessgas in ein Gaseinlassorgan (2) eingespeist wird, welches Gasaustrittsöffnungen (14, 24) aufweist, die in eine Prozesskammer (3) münden, bei dem das Prozessgas oder dessen Zerlegungsprodukte in der Prozesskammer (3) zu einer Oberfläche des Substrates (4) gebracht werden, und bei dem das Substrat (4) mittels einer Heizeinrichtung (6) auf eine Prozesstemperatur (Tp) gebracht wird, sodass sich nach einer chemischen Reaktion des Prozessgases die zweidimensionale Schicht auf der Oberfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates (4) auf die Prozesstemperatur (Tp) zunächst ein Gasfluss mit einem ersten Wert (Qi) des Prozessgases in die Prozesskammer (3) eingespeist wird, bei dem auf der Oberfläche des Substrates (4) kein Schichtwachstum stattfindet, danach der Gasfluss unter Beobachtung der Substratoberfläche bis zum Beginn des Schichtwachstums bei einem zweiten Wert (Q2) des Gasflusses erhöht wird und anschließend der Gasfluss auf einen dritten Wert (Q3) erhöht wird, der der Summe des zweiten Wertes (Q2) mit einem vorgegebenen Wert entspricht, und bei dem Gasfluss mit dem dritten Wert (Q3) die Schicht abgeschieden wird.
2. Verwendung eines CVD-Reaktors 1 zum Abscheiden einer zweidimensio- nalen Schicht auf einem Substrat (4), der ein Gaseinlassorgan (2) mit Gasaustrittsöffnungen (14, 24), die in eine Prozesskammer (3) münden, einen Suszeptor (5) zur Aufnahme des zu beschichtenden Substrates (4) und eine Heizeinrichtung (6) zum Aufheizen des Substrates (4) auf eine Prozesstemperatur (Tp) aufweist, wobei mittels einer Zuleitung (10) ein Prozessgas in das Gaseinlassorgan
(2), durch die Gasaustrittsöffnungen (14, 24) in die Prozesskammer (3) gebracht wird, wo es chemisch derart reagiert, dass auf der Oberfläche die zweidimensionale Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizens oder nach dem Aufheizen des Substrates (4) auf die Prozesstemperatur (Tp) zunächst ein Gasfluss mit einem ersten Wert (Qi) des Prozessgases in die Prozesskammer (3) eingespeist wird, bei dem auf der Oberfläche des Substrates (4) kein Schichtwachstum stattfindet, danach der Gasfluss unter Beobachtung der Substratoberfläche bis zum
Beginn des Schichtwachstums bei einem zweiten Wert (Q2) des Gasflusses erhöht wird und anschließend der Gasfluss auf einen dritten Wert (Q3) erhöht wird, der der Summe des zweiten Wertes (Q2) mit einem vorgegebenen Wert entspricht, und bei dem Gasfluss mit dem dritten Wert (Q3) die Schicht abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beobachtung der Substratoberfläche ein optisches Gerät (19) verwendet wird oder am CVD-Reaktor (1) vorgesehen ist.
4. Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gerät (19) ein Pyrometer und/ oder ein Zweiwellenlän- gen-Pyrometer ist.
5. Verfahren oder Verwendung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Beginns des Schichtwachstums eine bei der Beobachtung der Substratoberfläche aufgenommene Messkurve (26) des optischen Gerätes (19) ausgewertet wird und/ oder dass der Beginn des Schichtwachstums durch das Erkennen einer Änderung der
Steigung der Messkurve (26) des optischen Gerätes (19) festgestellt wird.
6. Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung ein Anstieg oder ein Abfall in der Messkurve (26) ist.
7. Verfahren oder Verwendung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkurve zur Bestimmung der Anzahl der abgeschiedenen Schichten verwendet wird und/ oder dass die Anzahl der abgeschiedenen Schichten durch die Bestimmung der Anzahl der Maxima oder der Minima in der Messkurve ermittelt wird.
8. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert größer 0 ist und/ oder mindestens 5 Prozent des zweiten Gasflusswertes (Q2) oder mindestens 10 Prozent des zweiten Gasflusswertes (Q2) oder mindestens 20 Prozent des zweiten Gasflusswertes (Q2) ist.
9. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (2) eine sich über eine
Auflagefläche (15) des Suszeptors (5) erstreckende Gasaustrittsfläche (25) mit einer Vielzahl gleichmäßig verteilten Gasaustrittsöffnungen (14, 24) aufweist, die mit einem Gasverteilvolumen (11, 21) strömungsverbunden sind.
10. Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsfläche (25) von einer Gasaustrittsplatte (9) des Gaseinlassorganes (2) ausgebildet ist, an die eine Kühlkammer (8) angrenzt, durch die ein Kühlmittel fließt. 11. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlengang (18) des optischen Gerätes (19) durch das Gaseinlassorgan (2) hindurchtritt und/ oder dass eine Deckenplatte (16) des Gaseinlassorgans (2) ein für die verwendeten Wellenlängen transparentes Fenster (17) aufweisen und in die Gasaus- trittsfläche (25) ein Röhrchen (12') mündet, durch welche der Strahlengang
(18) hindurchtritt.
12. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens ein Abstand zwischen einer Auflagefläche (15) des Suszeptors (5) und der Gasaustritts- fläche (25) verändert wird.
13. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas durch Hindurchleiten eines Trägergases durch einen einen festen oder flüssigen Ausgangsstoff enthaltenden Bubbier (32, 32') erzeugt wird. 14. Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Gaskonzentrationsmessgerät (31, 31') stromabwärts des Bubbiers (32, 32') die Konzentration des Dampfes des Ausgangsstoffs im Trägergas ermittelt wird.
15. Verfahren oder Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens der Schicht die Oberfläche weiter beobachtet und/ oder die Messkurve (26) weiter ausgewertet wird, um beim Eintritt eines Ereignisses den Gasfluss des Prozess- gases abzuschalten und/ oder dass beim Erkennen einer Änderung der
Steigung der Messkurve (26) der Gasfluss des Prozessgases abgeschaltet wird, wobei die Änderung insbesondere ein Anstieg ist.
16. Verfahren oder Verwendung, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.
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