Испаритель многокомпонентных растворов
EVAPORATOR OF MULTICOMPONENT SOLUTIONS

Изобретение относится к области получения направленных потоков атомов многокомпонентного раствора в вакуумной камере и может быть использовано для формирования тонких пленок двойных, тройных и более сложных растворов.
Известен испаритель (Г.И. Богдан, М.М. Некрасов. Пленочная электроника и полупроводниковые интегральные схемы. Киев.: «Вища школа» 1979, с. 48-49), содержащий несколько независимых источников испарения, каждый из которых испаряет один материал. Потоки паров мономатериалов складываются образуя сложный раствор, формирующий на поверхности подложки тонкую пленку многокомпонентного материала.
Однако получение стехиометрического состава пленок в этом случае требует строгого соблюдения необходимых скоростей для каждого компонента, что представляет собой достаточно технически трудную задачу, т.к. каждый компонент имеет индивидуальные температуры испарения, степень вакуума в рабочей камере, скорость испарения и разные материалы испарителей. Это значительно усложняет и конструкцию испарителя и его эксплуатацию.
Известен испаритель (Справочник. З.Ю. Готра. Технология микроэлектронных устройств. М.: «Радио и связь», 1991, с. 274-276), основанный на мгновенном испарении всего объема многокомпонентного материала, путем резкого увеличения температуры испарения значительно большей, чем температура трудноиспаряемого компонента многокомпонентного материала, что позволяет получить в испаряемом облаке пара практически все атомы многокомпонентного раствора.
Однако облако пара в этом случае содержит не только отдельные атомы, но и их комплексы и даже отдельные микрокапли, что приводит к формированию неоднородных как по структуре, так и по стехиометрическому составу пленок.
Известен испаритель (Справочник. З.Ю. Готра. Технология микроэлектронных устройств. М.: «Радио и связь», 1991, с. 266-271), содержащий в качестве теплового нагревателя электронный, ионный или лазерный лучи в котором повышение стехиометрии состава пленок многокомпонентного состава достигается применением энергий значительно превосходящих энергию связи атомов многокомпонентного раствора, поэтому в пар переходят одновременно атомы и легколетучих, и труднолетучих материалов. Это позволяет получать пленки по составу очень близким к стехиометрической формуле.
Однако стоимость самих лазерных, ионных и электронных устройств и их эксплуатации настолько высоки, что эти испарители используют только для производства дорогостоящих изделий, что, безусловно, увеличивает стоимость интегральных микросхем.
Известен испаритель (а.с. СССР Испаритель многокомпонентных материалов. №1824457, С23С 14/24, 12.11.1992), содержащий равновысотные внешний стакан, образующий корпус устройства, и встречно коаксиально вставленный в него внутренний стакан, выполняющий функцию заслонки, имеющей возможность возвратно-поступательного движения относительно корпуса, нагреватель, размещенный по внешней поверхности корпуса испарителя, выходное отверстие, образованное кольцевым зазором между стенками стаканов, в центре дна внутренней полости корпуса испарителя имеется цилиндрическое углубление для закладки многокомпонентного материала, устраняющего хаотичное распределение частиц распыляемого материала по его поверхности.
Однако основным недостатком конструкции этого испарителя является наличие полузамкнутой области, образуемой внутренней поверхностью внутреннего стакана, в которой в процессе распыления идет накопление легколетучих атомов многокомпонентного материала, т.к. они стремятся продолжить свое движение вверх по нормали ко дну корпуса. Это обедняет ими направленный поток атомов, из которых формируется тонкая пленка, и нарушает стехиометрию состава многокомпонентного материала, т.е. снижает качество формируемых тонких пленок.
Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению - испаритель многокомпонентных растворов (№2348738, С23 14/24, 10.03.2009), содержащий корпус, нагреватель, размещенный со стороны внешней поверхности корпуса, и заслонку, выполненную в виде крышки, опирающейся выступами на корпус, внутренняя часть которой входит в полость корпуса, конструктивно изготовленную в виде конуса высотой 0,9H>h>d, где Н - высота внутренней полости корпуса, h - высота конусной части заслонки, d - внутренний размер полости корпуса, при этом в верхней части заслонки по образующей выполнен прямоугольный выступ, диаметром D, плотно закрывающий полость корпуса в закрытом состоянии.
Однако заслонка конусной формы, обладая малым весом, не в состоянии поддерживать в полости корпуса величину давления, при котором происходит полное насыщение паров испаряемого материала труднолетучими компонентами. Увеличение температуры в этом случае приводит к увеличению скорости испарения труднолетучего компонента и увеличивает, в первую очередь, скорость испарения легколетучего компонента. Это приводит к увеличению давления и подъему заслонки парами легколетучего компонента, т.е. к обогащению в области поверхности подложки испаряемого пара атомами легколетучего компонента и нарушению стехиометрического состава формируемой пленки. Для устранения этого недостатка приходится строго следить за соответствием величин температур нагревателя и испарения атомов, входящих в структуру твердого раствора. Это означает, что данные испарители можно использовать для испарения твердых растворов, имеющих близкие температуры испарения содержащихся в их кристаллической решетке компонентов.
В основу поставлена задача увеличения качества тонких пленок за счет расширения диапазона давлений в корпусе испарителя при формировании направленного потока атомов многокомпонентного раствора соответствующего своему стехиометрическому составу при одновременном увеличении однородности их распределения по поверхности подложки.
1
Указанная задача при осуществлении изобретения достигается тем, что, в испарителе многокомпонентных растворов, содержащем заслонку, корпус в виде стакана, нагреватель, размещенный со стороны внешней поверхности корпуса, согласно изобретению во внутренней части конструкции заслонки, входящей в полость корпуса, симметрично ее конусной части выполнена полость конусной формы высотой h, равной (0,6-0,75) высоты конусной части заслонки h, и с основанием, равным D≤0,8d, где d - диаметр основания внешнего конуса; D - диаметр основания полости в конусной части заслонки (фиг. 1).
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображена конструкция испарителя многокомпонентных растворов с закрытой заслонкой. На фиг. 2 изображена конструкция испарителя многокомпонентных растворов с открытой заслонкой. Конструкция испарителя многокомпонентных растворов содержит: корпус 1; заслонку 2, упирающуюся кольцевым выступом в корпус, ее внутренняя часть, выполненная в виде конуса, входит в полую часть корпуса; причем в ее структуре изготовлена полость конусной формы 3, в которую осуществляют закладку груза 4; нагреватель 5 и распыляемый многокомпонентный раствор 6.
Заслонка 2 конусной частью установлена в полый корпус 1, а герметизация по образующей поверхности внутренней полости корпуса осуществляется кольцевым выступом заслонки 2, нагреватель 5 создает температуру испарения многокомпонентного раствора 6, располагающегося на дне корпуса.
1
2
В объеме заслонки 2 формируют полость конусной формы 3, симметрично располагающуюся относительно ее конусной части, высота h которой соответствует (0,6-0,75) высоты конусной части заслонки h. Уменьшение высоты конусной полости менее 0,6 высоты конусной части заслонки приводит к уменьшению веса груза 4 и преждевременному открытию заслонки до испарения труднолетучего компонента. С другой стороны, увеличение высоты полости корпуса более 0,75 высоты конусной части заслонки h приводит к неприемлемому утончению ее стенок, в результате чего заслонка становятся хрупкой и уменьшается ее срок службы. Это приводит или к значительному изменению режима испарения, или полному прекращению работы испарителя. Следует отметить, что размеры оснований конусной части заслонки и конусной полости в ее объеме выполняют в соответствии с неравенством D≤0,8d, где d - диаметр основания внешнего конуса; D - диаметр основания полости в конусной части заслонки, в которой размещается груз 4. При симметричном расположении рассматриваемых конусов данное неравенство вместе с неравенством h1=(0,6-0,75) h, позволяют определить толщину стенки заслонки h в области ее конусной части, обеспечивающую прочность конструкции испарителя в процессе формирования тонкой пленки многокомпонентного материала. Для увеличения давления во внутренней полости корпуса испарителя в конусную полость заслонки помещают груз, удельный вес которого выбирают в соответствии с неравенством Р≥(1,2-1,5)р, где Р - удельный вес материала груза, помещаемого в конусную полость заслонки; р - удельный вес материала, из которого изготавливается заслонка.
Принцип действия устройства осуществляется следующим образом. В сформированной конструкции корпус-заслонка заслонку 2 вынимают и в конусную полость насыпают, например, порошкообразный вольфрам, обладающий значительно большей температурой испарения, чем материал труднолетучего компонента твердого раствора. После этого на дно корпуса 1 помещают многокомпонентный раствор 6 и в полость корпуса устанавливают заслонку 2.
При подаче на нагреватель 5 электропитания напряжением 12 В и током в пределах (20-100) А в корпусе устанавливают температуру испарения трудноиспаряемого компонента многокомпонентного раствора. Пары раствора 7 накапливаются в полости корпуса, и при величине давления паров, превышающих силу давления заслонки на торцы корпуса, происходит разгерметизация последнего, и пары раствора устремляются к поверхности подложки (фиг. 2). Давление во внутренней полости корпуса уменьшается и заслонка, опускаясь вниз, герметизирует внутреннюю полость корпуса до следующего подъема давления паров многокомпонентного раствора. Качество тонкой пленки улучшается за счет перемешивания тепловым движением атомов испаряемого материала непосредственно в области их выпуска из полости корпуса. Следует отметить, что с увеличением времени герметизации внутренней полости корпуса испарителя происходит значительное увеличение вероятности установления полной стехиометричности состава паров твердого раствора. Основой реализации данного режима испарения является выполнение условия: во внутренней конусной части конструкции заслонки, входящей в полость корпуса, симметрично ее конусной части выполняется полость конусной формы с основанием, равным D≤(0,6-0,8)d, где d - диаметр основания внешнего конуса; D - диаметр основания полости в конусной части заслонки,
Уменьшение диаметра основания конусной части заслонки менее 0,6d приводит к чрезмерному уменьшению стенок конусной части заслонки, что увеличивает вероятность механического разрушения конструкции заслонки при взаимодействии с нагревателем или в процессе эксплуатации, например при выемке испаряемого материала или при его закладке. С другой стороны, при высоких температурах тонкие стенки значительно быстрее прогорают.
Изготовление диаметра основания конусной части заслонки более 0,8d приводит к нецелесообразному расходу материала заслонки испарителя и уменьшению веса груза, помещаемого в конусную полость заслонки, что в свою очередь приводит к существенному изменению состава паров в полости корпуса испарителя.
Для увеличения давления паров твердого раствора, позволяющего увеличить степень их стехиометрии, в конусную полость корпуса заслонки помещают груз, вес которого определяют, используя неравенство Р≥(1,2-1,5)р, где Р - удельный вес материала груза, помещаемого в конусную полость заслонки; р - удельный вес материала, из которого изготавливается заслонка. Если использовать материал груза с удельным весом менее (1,2)р в области корпуса испарителя образуется давление, недостаточное для образования стехиометричного состава твердого раствора, что потребует оптимизации состава компонентов твердого раствора и температуры испарителя. Увеличение удельного веса материала груза более (1,5)р ограничивается количеством материалов химически инертных к испаряемому материалу и имеющих температуру испарения, значительно превышающую температуру испарения материала твердого раствора.