ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ НАГРЕВАТЕЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКИ РОСТОВОГО МАНИПУЛЯТОРА ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
ELECTRIC CONTACT OF HEATER OF SEMICONDUCTOR SUBSTRATE OF GROWTH MANIPULATOR OF VACUUM CHAMBER FOR GROWTH OF SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES

Изобретение относится к технике, используемой для нагревания полупроводниковой подложки при выращивании тонких эпитаксильных пленок и наноструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в частности, на основе соединений InAlGaN, AlGaN и др.
-5
Одно из основных требований для проведения процессов методом молекулярно-пучковой эпитаксии является нагрев подложки, на которую наращиваются полупроводниковые слои. Исходя из того, что процесс осуществляется в условиях высокого вакуума (≤1·10 Па), в установках МПЭ используют для нагревания подложек инфракрасные нагреватели. Как источник азота для выращивания слоев InAlGaN, AlGaN и других содержащих азот тонких пленок используют газообразный аммиак. Использование аммиака накладывает ряд ограничений на материал, конструкцию нагревательного элемента и его электрические контакты. Они должны быть химически и температурно стойкими, выполняться из материалов с высокой чистотой.
Известен электрический контакт нагревателя полупроводниковой подложки ростового манипулятора вакуумной камеры для выращивания полупроводниковых гетероструктур, содержащий контактный винт с гайкой, выполненные из пиролитического графита. Винт вставляется в отверстие, выполненное в основании нагревателя, материалом которого служит пиролитический нитрид бора. На основании нагревателя размещена нагревательная спираль из пиролитического графита. Концы нагревательной спирали контактируют с головками винтов (двух или более, в зависимости от необходимости включения всей спирали или ее части), US 5343022.
Контактные винты и гайки изготовлены из того же материала (пиролитического графита), что и контактная спираль. Это обусловлено необходимостью обеспечения одинакового коэффициента расширения при нагревании. В ином случае в устройстве US 5343022 нарушается контакт между контактными винтом и спиралью.
Известен также электрический контакт нагревателя полупроводниковой подложки ростового манипулятора вакуумной камеры для выращивания полупроводниковых гетероструктур по патенту US 7420143. Это устройство включает все элементы описанного выше аналога, а также покрытие контактных винтов и гаек, выполненное из пиролитического нитрида бора, что несколько повышает механическую прочность и химическую стойкость электрических контактов, однако является весьма сложным и дорогостоящим.
В качестве прототипа можно принять техническое решение по патенту US 5343022.
Его недостатки (так же, как и устройства по патенту US 7420143) состоят в следующем. Выполнение контактного винта и гайки из хрупкого материала - пиролитического графита - весьма сложный технологический процесс, требующий специального оборудования. При этом, ввиду хрупкости материала, имеет место большой процент брака. По причине хрупкости материала геометрические размеры винта и гайки из пиролитического графита должны быть достаточно большими (~8-10 мм - диаметр резьбы, 12-15 мм - диаметр головки винта и гайки, 8-10 мм - высота головки винта).
Изготовление из пиролитическиго графита контактных винтов и гаек с требуемыми прочностными характеристиками и малыми геометрическими размерами практически невозможно. Вследствие больших размеров контактных винтов и гаек существенно увеличиваются размеры ростового манипулятора, что резко увеличивает его стоимость и усложняет эксплуатацию. Кроме того, большая высота головки контактного винта увеличивает минимально возможное расстояние между полупроводниковой подложкой и нагревателем, что требует увеличения мощности нагревателя для достижения заданной температуры подложки. Выделение при этом излишнего тепла в вакуумной камере ведет к избыточному нагреву находящихся в ней элементов, в частности криопанели, что обусловливает повышенный расход жидкого азота, охлаждающего криопанель.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности изготовления электрического контакта нагревателя полупроводниковой подложки ростового манипулятора вакуумной камеры для выращивания полупроводниковых гетероструктур из прочного материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от этого коэффициента у пиролитического графита; тем самым решается задача упрощения изготовления электрического контакта и обеспечения возможности значительного уменьшения его размеров; в результате последнего уменьшаются габариты ростового манипулятора и уменьшается минимально возможное расстояние между полупроводниковой подложкой и нагревателем, что позволяет решить задачу уменьшения выделения тепла в вакуумной камере.
Согласно изобретению в электрическом контакте нагревателя полупроводниковой подложки ростового манипулятора вакуумной камеры для выращивания полупроводниковых гетероструктур, содержащем контактный винт с гайкой, при этом нагреватель содержит основание с отверстиями под винты, выполненное из пиролитического нитрида бора, и размещенную на нем нагревательную спираль, выполненную из пиролитического графита, контактный винт и гайка выполнены из металла, при этом гайка подпружинена относительно основания нагревателя пружинным элементом из пиролитического нитрида бора; пружинный элемент выполнен в виде диска с центральным отверстием, в котором с зазором размещен винт, при этом диск контактирует с гайкой, а между диском и основанием нагревателя размещено упорное кольцо, контактирующее с периферией диска; пружинный элемент выполнен тарельчатой формы с центральным отверстием, в котором с зазором размещен винт, при этом центральная часть пружинного элемента тарельчатой формы контактирует с гайкой, а его обод контактирует с основанием нагревателя; винт и гайка выполнены из молибдена или тантала.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - вид сверху;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - узел Б на фиг.2 в увеличенном масштабе, вариант по п.2 формулы изобретения, нагреватель в холодном состоянии, пружинный элемент деформирован и поджат гайкой к упорному кольцу;
на фиг.4 - то же, что на фиг.3, нагреватель в горячем состоянии, деформация пружинного элемента уменьшается;
на фиг.5 - узел Б на фиг.2 в увеличенном масштабе, вариант по п.3 формулы изобретения, нагреватель в холодном состоянии, пружинный элемент деформирован и поджат гайкой к основанию нагревателя;
на фиг.6 - то же, что на фиг.5, нагреватель в горячем состоянии, деформация пружинного элемента уменьшается.
Электрический контакт нагревателя полупроводниковой подложки ростового манипулятора вакуумной камеры для выращивания полупроводниковых гетероструктур содержит контактный винт 1 с гайкой 2, которые выполнены из металла, в частности молибдена или тантала. Возможно также выполнение контактного винта 1 и гайки 2 из вольфрама, ванадия и других тугоплавких металлов с достаточной механической прочностью. Нагреватель содержит основание 3, выполненное из пиролитического нитрида бора, на котором размещена нагревательная спираль 4, которая выполнена из пиролитического графита. Гайка 2 подпружинена относительно основания 3 нагревателя пружинным элементом из пиролитического нитрида бора. Пружинный элемент в варианте по п.2 формулы изобретения может быть выполнен в виде диска 5 с центральным отверстием 6, в котором с зазором размещен винт 1. При этом диск 5 одной стороной контактирует с гайкой 2. Между диском 5 и основанием 3 нагревателя размещено упорное кольцо 7, контактирующее с периферией диска 5 с другой его стороны.
В варианте по п.3 формулы изобретения пружинный элемент выполнен тарельчатой формы (в виде тарельчатой пружины 8) с центральным отверстием 9, в котором с зазором размещен винт 1; центральная часть пружинного элемента тарельчатой формы контактирует с гайкой 2, а его обод 10 контактирует с основанием 3 нагревателя. Головка 11 винта 1 через электропроводящую (графитовую) шайбу 12 поджата к нагревательной спирали 4.
В исходном (холодном) состоянии в варианте по п.2 формулы изобретения диск 5 деформирован и поджат гайкой 2 к упорному кольцу 7 (фиг.3). При нагревании спирали 4 до температуры около 1200°С нагревается винт 1 и гайка 2. Поскольку у металлических винта 1 и гайки 2 коэффициент теплового расширения больше в сравнении с этим коэффициентом у нагревателя, деформация диска 5 при нагревании винта 1 и гайки 2 уменьшается (фиг.4), однако прижим головки 11 винта 1 к нагревательной спирали 4 через шайбу 12 и, соответственно, электрический контакт между винтом 1 и спиралью 4 сохраняются. Аналогичным образом функционирует электрический контакт в варианте по п.3 формулы изобретения (фиг.5-6).
Реализация отличительных признаков заявленного технического решения обеспечивает важное новое свойство объекта - надежный электрический контакт между нагревательной спиралью 4 и винтом 1 с гайкой 2 при выполнении их и нагревателя из разнородных материалов. Это позволяет выполнить винт 1 с гайкой 2 из металла, что упрощает технологию их изготовления и, практически, предотвращает брак. При этом винт 1 с гайкой 2 могут быть выполнены в несколько раз меньшими по размеру в сравнении с винтом и гайкой из пиролитического графита, которые, в принципе, не могут иметь малые размеры ввиду хрупкости и низкой прочности материала. В результате диаметр винта может составлять 1,5-2 мм, а высота головки винта не превышает 1-1,5 мм.
Таким образом, существенно уменьшаются размеры ростового манипулятора, а также существенно уменьшается минимально возможное расстояние от полупроводниковой подложки до нагревателя.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «Изобретательский уровень».
Заявленные электрические контакты изготовлены ЗАО «Научное и технологическое оборудование», г.Санкт-Петербург для использования в установках молекулярно-пучковой эпитаксии, выпускаемых им же.
По мнению заявителя, изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».