СУБЛИМАЦИОННЫЙ ИСТОЧНИК НАПЫЛЯЕМОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УСТАНОВКИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
SUBLIMATE SOURCE OF EVAPORATED MATERIAL FOR MOLECULAR BEAM EPITAXY INSTALLATION

Изобретение относится к технологическому оборудованию для нанесения полупроводниковых материалов на подложку эпитаксиальным наращиванием и может быть использовано при изготовлении различных полупроводниковых приборов микро- и оптоэлектроники.
Необходимым условием получения полупроводниковых слоев с совершенной кристаллической структурой и контролируемыми электрофизическими параметрами является предотвращение загрязнений слоев в процессе их выращивания. Неконтролируемые примеси увеличивают плотность дефектов кристаллической структуры в слоях, снижают удельное сопротивление, время жизни и подвижность носителей заряда, ухудшают свойства приборов, изготовленных на их основе.
В настоящее время в установках молекулярно-лучевой эпитаксии для испарения напыляемого материала на подложку используют резистивный нагрев, нагрев напыляемого материала до высокой температуры и испарение его из расплава в тигле и нагрев с помощью электронно-лучевой пушки.
-10
Сублимация напыляемого материала путем резистивного нагрева в вакууме обладает рядом преимуществ перед другими методами напыления. При испарении кремния из расплава в парах кремния содержатся многоатомные молекулы, что затрудняет рост совершенных по структуре слоев, т.к. их встраивание в решетку кристалла приводит к формированию дефектов. К тому же в установках напыления, основанных на испарении материала из расплава в тигле, нагрев настолько интенсивен, что радиационно нагреваются даже стенки камеры и требуется использование откачки камеры до сверхвысокого вакуума (~ 10 Торр). Это затрудняет получение чистых слоев. Испарение с помощью электронно-лучевой пушки часто сопровождается "выплескиванием" материала из расплава, что приводит к образованию дефектов в эпитаксиальных слоях. Малые изменения в характеристиках электронно-лучевого испарения могут вызвать существенные изменения в скорости испарения. Это требует дополнительного контроля с использованием обратной связи.
Сублимационные источники создают, как правило, атомарный поток частиц, формируют чистый поток атомов и они достаточно просты по конструкции. Эти источники позволяют выращивать легированные слои, а высокая стационарность потока атомов примеси достигается через определенное время после начала сублимации, что является важным обстоятельством при выращивании однородно легированных по толщине слоев.
Основной составной частью сублимационных источников является закрепленный на токовводах испаряемый элемент из напыляемого материала. Токовводы выполнены из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам, тантал) и подключены к источнику тока, обеспечивающему нагрев испаряемого элемента проходящим через него электрическим током до температуры, близкой к температуре плавления материала, например источник кремния, температура плавления которого равна 1420°С, нагревают до температуры ≈ 1380°С.
Широко известны сублимационные источники, в которых испаряемые элементы выполнены в виде нити. Для предотвращения чрезмерного нагрева контакта в токовводах с испаряемым элементом во время испарения последний может быть в виде нити с утолщениями на концах и укреплен сваркой на токовводах, подключенных к источнику стабилизации тока (например, Review of Scientific Instruments, 1963, V.34, №1, P.11-12).
Существенными недостатками источников с испаряемыми элементами в виде нити является небольшой размер последней и, как следствие, очень малая скорость потока испаряемого материала, а также сложность изготовления нити.
Увеличение размеров испаряемого элемента приводит, к тому же, к усложнению его крепления и небходимости решать задачу обеспечения чистоты формируемого потока атомов напыляемого материала, поскольку источниками загрязнения изготовляемых слоев являются не только разогретые детали камеры роста установки, но и нагреваемый электрическим током крепеж испаряемого элемента.
Другой задачей при увеличении размеров испаряемого элемента является обеспечение его равномерного нагрева, поскольку неравномерный нагрев приводит к неоднородной интенсивности потока напыляемого материала и, следовательно, к плохому качеству изготовляемых эпитаксиальных слоев.
Известен источник, в котором для повышения интенсивности потока напыляемого материала увеличивают число нитей. Источник содержит множество нитей (полосок) из напыляемого материала, которые образованы выполнением на монокристаллической пластине прорезей, разделяющих пластину на множество электрически соединенных нитей (US 4550047 А, 1985-10-29). Прорези изготавливают методом ультразвуковой резки или химическим травлением, электрический контакт достигается напылением тантала на контактные области.
К числу недостатков данной конструкции относятся необходимость напыления дополнительного слоя металла на концы источника и трудность его изготовления.
В качестве ближайшего аналога заявляемому сублимационному источнику выбран источник напыляемого материала для установки молекулярно-лучевой эпитаксии фирмы MBE-Komponenten GmbH (Operating Instructions Silicon Sublimation Source SUSI, 2006, p.6). Источник содержит П-образный испаряемый элемент, закрепленный на токовводах в виде пластин с помощью винтов. Рабочей частью элемента является центральная, а утолщенные боковины служат для крепления элемента на токовводах. Испаряемый элемент расположен в цилиндрическом экране из высокочистого кремния.
Недостатком этого источника является трудность изготовления испаряемого элемента сложного профиля и нерациональное расходование дорогостоящего материала на его изготовление, особенно при переходе к большим размерам, необходимым для повышения скорости и плотности формируемого потока испаряемого материала. Кроме того, крепление испаряемого элемента винтом к токовводу сопряжено с ухудшением электрического контакта, особенно при нагреве до температур, близких к температуре плавления испаряемого материала.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является упрощение изготовления и снижение расхода материала на изготовление испаряемого элемента при увеличении его размеров с обеспечением высокой чистоты и высокой плотности формируемого потока испаряемого материала, а также предотвращение разрушения и обеспечение простоты замены испаряемого элемента.
Технический результат достигается тем, что сублимационный источник напыляемого материала для установки молекулярно-лучевой эпитаксии, включающий носитель напыляемого материала, закрепленный на токовводах, характеризуется тем, что конец каждого токоввода содержит пластину, в которой выполнено отверстие, а носитель выполнен в виде бруска с суженными концами и установлен суженными концами в отверстиях, выполненных в пластинах.
Целесообразно, по меньшей мере, часть каждого токоввода выполнить с полостью, соединенной с источником проточной воды.
Сублимационный источник схематично изображен на фиг.1 и 2.
Источник содержит испаряемый элемент 1 в виде бруска прямоугольного, круглого или иного сечения, оба конца 2 и 3 которого сужены и имеют площадь поперечного сечения меньше площади поперечного сечения его остальной части. Концы 2 и 3 могут иметь любую геометрию, в изображенном варианте сублимационного источника концы испаряемого элемента 1 заточены на конус.
Элемент 1 концами 2 и 3 вставлен в отверстия, выполненные на концевых участках пластин 4 и 5, разнесенных на расстояние, меньшее длины элемента 1, при этом диаметр каждого отверстия позволяет ввести в них лишь суженные концы 2 и 3 элемента 1.
Пластины 4 и 5 являются частью токоподводящего средства установки, включающей также массивные токовводы 6 и 7, и выполнены из тугоплавкого материала, как концевые детали токовводов 6 и 7.
Поскольку пластины 4 и 5 и токовводы 6 и 7 являются источниками загрязняющих примесей, необходимо снижать их температуру. С этой целью, по меньшей мере, часть токовводов 6 и 7 целесообразно выполнить с полостью (не приведена) и соединить ее с источником проточной воды (не приведена).
Концевые участки пластин 4 и 5, свободные в момент сборки источника, допускают угловое смещение их относительно друг друга на некоторое расстояние, позволяя тем самым вставить между ними элемент 1. Таким образом обеспечивается закрепление элемента 1 без использования дополнительных крепежных элементов.
Подвижность концов пластин 4 и 5 дает возможность предотвратить деформацию испаряемого элемента 1, вызываемую тепловым расширением, и, следовательно, предотвратить его разрушение, а также сохранить фиксированным расстояние между элементом 1 и напыляемой подложкой (не приведена), тем самым сохраняя скорость осаждения напыляемого слоя на подложку. Кроме того, это обеспечивает надежный электрический контакт между элементом 1 и пластинами 4 и 5 за счет необходимого для этой цели усилия поджатия.
В момент подачи питания для разогрева элемента 1 пропусканием тока в области соприкосновения его с пластинами 4 и 5 между ними образуется стабильный электрический контакт всей окружности отверстий, в которые вставлены концы 2 и 3 элемента 1. При этом ток протекает по внутренней части элемента 1, что при высоких температурах исключает подплав элемента 1, который может привести к выходу его из рабочего состояния. Протекание электрического тока по внутренней части источника приводит также к равномерному нагреву всей поверхности источника и способствует постоянной плотности потока напыляемого материала.
Таким образом, заявляемый источник прост по конструкции, технологически прост в изготовлении и имеет низкий расход материала на его изготовление, поскольку весь испаряемый материал с элемента 1 используется для формирования потока частиц при создании полупроводниковых структур. Крепление элемента 1 снижает риск его разрушения и обеспечивает простоту его замены.
Заявляемый источник обеспечивает высокую чистоту и высокую интенсивность формируемого потока испаряемого материала, его использование позволяет получать эпитаксиальные слои с минимальной плотностью дефектов кристаллической структуры.