ТИГЕЛЬ ДЛЯ ИСПАРЕНИЯ АЛЮМИНИЯ В ПРОЦЕССЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВОЙ ЭПИТАКСИИ
CRUCIBLE ALUMINIUM EVAPORATOR FOR MOLECULAR-BEAM EPITAXY

Изобретение относится к технике, используемой для испарения алюминия при выращивании тонких эпитаксиальных пленок и наноструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в частности на основе соединений InAlGaN, AlGaN и др.
Для получения полупроводниковых пленок методом МПЭ необходимы средства подачи элементов, участвующих в реакции. Одним из таких средств является тигель, в котором происходит испарение соединения, содержащего требуемый элемент. Исходя из условий проведения МПЭ к материалу и конструкции тигля предъявляется ряд требований: химическая и температурная стойкость, чистота материала и др.
Известен тигель для испарения металла в процессе МПЭ, содержащий корпус, выполненный из двух слоев нитрида бора; внутренний слой более тонкий по сравнению с наружным; данное техническое решение позволяет увеличить срок службы тигля, US 3986822.
Известен также тигель для испарения металла в процессе МПЭ, содержащий корпус, выполненный, по меньшей мере, из пяти слоев нитрида бора чередующейся толщины, US 4913652.
Конструкция позволяет уменьшить потери тепла из полости тигля.
Общим недостатком описанных выше аналогов является возможность вытекания расплавленного материала через верхний край корпуса тигля в процессе испарения материала.
Известен тигель для испарения металлов, в частности алюминия, в процессе МПЭ, включающий корпус из нескольких слоев нитрида бора, содержащий колбу с кольцевым фланцем; плоскость фланца перпендикулярна продольной оси симметрии тигля. Бульшая часть корпуса снабжена двухслойным покрытием, включающим внутренний слой пиролитического графита и наружный слой нитрида бора, US 5075055.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Двухслойное покрытие практически всего корпуса тигля обеспечивает однородность температурного профиля нагреваемого извне тигля (фиг.4). Как известно, пиролитический графит представляет собой материал с выраженной анизотропностью (заметно проявляющейся при толщине слоя более 1,0 мм). При толщине слоя 2,54 мм, как это указано в прототипе, теплопроводность в плоскости ab составляет 700 Вт/м°С, в то время как в направлении, перпендикулярном плоскости ab, это значение составляет 3,5 Вт/м°С.
Однако высокая температура тигля (1300°С) не только в нижней, нагреваемой, части, но и в верхней его части обусловливает довольно заметное осаждение нитридов на поверхностях колбы и фланца. При этом, главным образом при испарении алюминия, резко увеличивается смачиваемость поверхности колбы и фланца, что приводит к перетеканию алюминия через фланец. У других металлов в этих условиях данное явление выражено в значительно меньшей степени и наблюдается редко.
В результате вытекания алюминия происходит выход из строя системы нагревания тигля в результате коротких замыканий в токоведущих электрических цепях системы, а также вследствие термического воздействия на нее расплавленного активного металла, каким является алюминий.
Задачей настоящего изобретения является предотвращение вытекания расплавленного алюминия из тигля в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии и выхода в результате этого из строя системы нагревания.
Согласно изобретению в тигле для испарения алюминия в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии, включающем корпус из нитрида бора, содержащий колбу с фланцем в верхней части, а также покрытие, содержащее пиролитический графит, фланец выполнен в виде конического раструба, покрытие выполнено однослойным из пиролитического графита с толщиной слоя 20-50 мкм, при этом наружная поверхность колбы открыта, а однослойное покрытие нанесено на наружную поверхность конического раструба.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».
Благодаря тому, что фланец корпуса тигля выполнен в виде конического раструба, растекание расплавленного алюминия в определенной степени тормозится силой гравитации; кроме того, в весьма тонких слоях пиролитического графита (меньше 100 мкм) анизотропность этого материала проявляется незначительно. Вместе с тем, пиролитический графит проявляет свойства, близкие к свойствам абсолютно черного тела (чернота ε=0,7-0,75).
2
При t=1300°С излучательная способность пиролитического графита составляет около 40 Вт/см. Благодаря нанесению на наружную поверхность фланца весьма тонкого слоя пиролитического графита этот слой в силу его чрезвычайно малой толщины является не теплоизолятором, как это имеет место в устройстве-прототипе, но, напротив, отводит тепло от фланца в окружающую среду. Благодаря этому, а также тому, что наружная поверхность колбы открыта, температура тигля уменьшается по его высоте в направлении снизу вверх (фиг.2). Вследствие этого на поверхности верхней части колбы и фланца значительно уменьшается интенсивность осаждения нитридов и, соответственно, уменьшается смачиваемость этих поверхностей, что позволяет предотвратить вытекание алюминия из тигля. При толщине слоя пиролитического графита более 50 мкм начинают проявляться анизотропные и теплоизоляционные свойства пиролитического графита, а при толщине этого слоя менее 20 мкм не обеспечивается требуемый теплоотвод (фиг.4).
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии отличительных признаков настоящего изобретения на достигаемый технический результат.
Все изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - продольный разрез тигля;
на фиг.2 - график распределения температуры тигля по его высоте;
на фиг.3 - продольный разрез тигля-прототипа, совмещенный с графиком распределения температуры тигля по его высоте;
на фиг.4 - зависимость тепла, отводимого с единицы поверхности слоя пиролитического графита, от его толщины.
Тигель для испарения алюминия в процессе МПЭ включает корпус, состоящий из колбы 1 и фланца 2, выполненного в виде конического раструба. Угол α между образующей конической поверхностью фланца 2 и продольной осью симметрии тигля составляет 110-150°. Колба 1 и фланец 2 выполнены из нитрида бора. Корпус тигля имеет однослойное покрытие 3 из пиролитического графита с толщиной слоя 20-50 мкм, в конкретном примере 30 мкм, при этом однослойное покрытие из пиролитического графита нанесено только на наружную поверхность 4 фланца 2, а наружная поверхность 5 колбы 1 открыта.
Устройство работает следующим образом.
В колбу 1 загружают алюминий и нагревают ее с помощью внешнего нагревателя (на чертежах не показан) до температуры 1300°С. Кроме того, в камеру, в которой размещен тигель (на чертежах не показана), подают атомарный азот или аммиак. В камере находится подложка, на которой выращивается полупроводниковая пленка. Пары алюминия, а также пары других элементов (In, Ga и др.), поступающие из других источников, достигают подложки и вступают в реакцию между собой и азотом, образуя на подложке тонкую полупроводниковую пленку.
Благодаря тому, что фланец снабжен тонким покрытием из пиролитического графита, происходит отвод тепла от фланца в окружающую среду, при этом температура фланца значительно ниже температуры колбы. В результате снижается интенсивность осаждения нитридов на поверхность фланца и верхней части колбы и благодаря этому уменьшается смачиваемость этих поверхностей, что позволяет предотвратить вытекание алюминия из тигля и разрушение системы его нагревания.
Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».