Резистивный испарительный блок для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур с помощью атомарных пучков, формируемых в результате испарения кремния и расплава германия, и может быть использована в качестве резистивного испарительного блока в вакуумных установках для формирования потоков сублимационных паров кремния и паров расплава германия.
Наиболее эффективным (технологичным и экономичным) для формирования резких многокомпонентных эпитаксиальных гетеропереходов признано вакуумное осаждение с помощью эффузионных ячеек, каждая из которых содержит электрически (резистивно) нагретый тигель, наполненный одним из компонентов, подлежащих выращиванию (см., например, патент US 5028561, H01L 21/203, 1991).
Вместе с тем, для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур оптимальным (в связи с различной температурой плавления кремния и германия и несмачиваемостью расплава германия по отношению к металлическим стенкам резистивно нагретых тиглей) является известный (выбранный в качестве прототипа предлагаемого резистивного испарительного блока) резистивный испарительный блок для напыления в вакууме кремний-германиевых структур (см. п. 8 формулы изобретения и описание изобретения по патенту РФ 2511279, H01L 21/203, С23С 14/26, 2014), содержащий два испарителя, установленных в вакуумной камере и выполненных каждый в виде бруска (имеющего форму пластины, при этом понятие брусок применимо к полупроводниковому изделию в более широком смысле по отношению к понятию пластина в связи с уже сложившейся практикой: см., например, «полупроводниковое изделие выполнено в виде бруска» в патенте РФ №2120684, а также см., например, «брусок - простейшая деталь, бывает разных размеров, сечений и формы» на сайте в Интернет http://delta-qrup.ru/bibliot/99/33.htm), к концам которого подведен электрический ток, причем первый испаритель выполнен в виде кремниевого бруска, представляющего собой источник сублимационных паров кремния, а второй испаритель выполнен в виде электропроводного бруска, изготовленного из кремния с содержанием германия и имеющего продольный выступ на его рабочей поверхности для образования на поверхности этого выступа при резистивном нагреве указанного бруска и удержания на нем расплава германия - источника паров расплава германия.
Однако этот резистивный испарительный блок недостаточно технологичен в изготовлении в связи с необходимостью изготовления бруска его второго испарителя из кремния, содержащего германий, например, в интервале 4-8%, и обладает суженным интервалом получаемых составов при концентрации германия в получаемой кремний-германиевой структуре, соответственно, от 30% до 70% в зависимости от содержания германия в материале бруска второго испарителя.
Технический результат от использования предлагаемого резистивного испарительного блока - повышение технологичности его изготовления за счет исключения необходимости изготовления бруска его второго испарителя из кремния, содержащего германий, и расширение интервала составов получаемых кремний-германиевых гетероструктур в связи с усовершенствованием блока в результате введения в его конструкцию второго испарителя, выполненного в виде графитового бруска с изготовленной в нем полой испарительной секцией под расплав германия.
Технический результат от использования предлагаемого резистивного испарительного блока заключается также в обеспечении повышенной производительности эпитаксии кремния и германия за счет максимизации количества выемок, из которых состоит полая испарительная секция графитового бруска под расплавы германия в них и минимизации толщины графитовых перегородок между ними вдоль центральной оси графитового бруска.
Кроме того, актуальна составляющая указанного технического результата, заключающаяся в расширении арсенала современных эффективных резистивных испарительных средств в технологии вакуумной эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур.
Для достижения указанного результата в резистивном испарительном блоке для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур, содержащем два испарителя, установленных в вакуумной камере и выполненных каждый в виде бруска, к концам которого подведен электрический ток, причем первый испаритель выполнен в виде кремниевого бруска, представляющего собой источник сублимационных паров кремния, а второй испаритель выполнен в виде электропроводного бруска с источником паров расплава германия, образуемых при резистивном нагреве указанного бруска, второй испаритель выполнен в виде графитового бруска с изготовленной в нем полой испарительной секцией под расплав германия.
Для увеличения производительности эпитаксии кремния и германия и равномерности вакуумного осаждения испарительная секция в графитовом бруске второго испарителя может состоять из нескольких расположенных вдоль продольной оси указанного бруска укороченных испарительных выемок под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках расплава германия, одновременно участвующих в формировании вторым испарителем потока паров расплава германия, с условием выполнения в графитовом бруске максимального количества указанных выемок с графитовыми перегородками между ними вдоль центральной оси графитового бруска минимальной толщины не менее 1 мм.
В частном случае графитовый брусок второго испарителя может быть изготовлен из спектрально чистого графита.
Для повышения производительности осаждения кремний-германиевых структур на подложках повышенной площади первый и второй испарители могут быть оснащены средством их линейного возвратно-поступательного относительно подложки движения.
Для повышения стабильности нагрева обоих испарителей в результате снижения нежелательного эксплуатационного изменения контактного сопротивления (появления нагаров в условиях высокой температуры нагрева) брусков этих испарителя в местах подвода электрического тока токоподводы брусков обоих испарителей могут быть выполнены в виде острых концов указанных брусков, контактирующих с поверхностями подводных проводников электрического тока.
Известное использование в технологии вакуумной эпитаксии графитового испарителя для вакуумной эпитаксии германия по патенту РФ 165625, H01L 21/203, 2016, не противоречит новизне предлагаемого резистивного испарительного блока, т.к. только оба испарителя, раскрытых в формуле предлагаемой полезной модели, обеспечивают одновременно повышение технологичности изготовления предлагаемого резистивного испарительного блока и расширение интервала составов получаемых кремний-германиевых гетероструктур, а также увеличение производительности эпитаксии кремния и германия в связи с усовершенствованием блока в результате введения в его конструкцию второго испарителя, выполненного в виде графитового бруска с изготовленной в нем предлагаемой полой испарительной секцией под расплав германия, состоящей, в частности, из расположенных вдоль продольной оси графитового бруска, например, четырех укороченных испарительных выемок под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках расплава германия.
На фиг. 1 схематически показан общий вид сверху предлагаемого резистивного испарительного блока; на фиг. 2 - вид сбоку первого (см. фиг. 2а) и второго (см. фиг. 2б) испарителей в составе блока на фиг. 1.
Предлагаемый резистивный испарительный блок (см. фиг. 1) содержит два испарителя, установленных в вакуумной камере и выполненных каждый в виде бруска, к концам которого подведен электрический ток с помощью двух охлаждаемых тоководов 1 (узких молибденовых пластин), контактирующих с противоположными острыми (коническими) концами указанного бруска, зажатого между тоководами 1, причем первый испаритель (см. фиг. 2а) выполнен в виде кремниевого бруска 2, представляющего собой источник сублимационных паров кремния, а второй испаритель (см. фиг. 2б) выполнен в виде графитового бруска 3 с изготовленной в нем полой испарительной секцией под образуемый в ней (в результате нагрева графитового бруска 3 прямым пропусканием через него электрического тока) расплав германия, состоящей из четырех расположенных вдоль продольной оси бруска 3 укороченных испарительных выемок 4 под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках 4 расплава германия, одновременно участвующих в формировании вторым испарителем потока паров расплава германия, с условием выполнения в графитовом бруске 3 максимального количества указанных выемок 4 с графитовыми перегородками 5 между ними вдоль центральной оси графитового бруска 3 минимальной толщины 1 мм.
При этом испарительная секция графитового бруска 3 состоит из четырех расположенных вдоль него укороченных испарительных выемок 4 под отдельные источники паров распределенного в указанных выемках расплава германия, обладающего низкой смачиваемостью с материалом испарительных выемок 4 - графитом.
Причем брусок 3 изготовлен из спектрально чистого графита, который имеет высокую температуру плавления и не вступает в химическую реакцию с расплавом германия.
Примеры использования предлагаемого резистивного испарительного блока при проведении вакуумной эпитаксии кремния и германия на оксиде кремния.
-7
Оборудование для проведении вакуумной эпитаксии кремния и германия на оксиде кремния реализовано на базе установки вакуумного напыления УВН 83П1. В процессе роста кремний-германиевых структур поддерживался сверхвысокий вакуум. Давление остаточных газов во время указанного роста не превышало 3⋅10 Торр.
При помощи предлагаемого резистивного испарительного блока можно получать кремний-германиевые слои с любой относительной концентрацией кремния и германия в слое. При этом, управлять относительной концентрацией кремни и германия можно изменяя температуры источников. Также можно получить слои чистого кремния или германия.
Примеры:
1. Температура германия 1400°С, температура кремния 1250°С. Слой содержит 85% германия и 10% кремния.
2. Температура германия 1400°С, температура кремния 1380°С. Слой содержит 60% германия и 40% кремния.
3. Температура германия 1100°С, температура кремния 1380°С. Слой содержит 18% германия и 82% кремния.
Приведенные примеры подтверждают возможность расширения (в сравнении с возможностями получения составов кремний-германиевых структур при помощи резистивного испарительного блока - прототипа) интервала составов выращиваемых кремний-германиевых гетероструктур.
При этом в результате исключения необходимости изготовления бруска его второго испарителя из кремния, содержащего германий, повышается технологичность изготовления предлагаемого резистивного испарительного блока.
Кроме того, для увеличения производительности эпитаксии кремния и германия и равномерности их вакуумного осаждения при изготовлении во втором испарителе в составе предлагаемого резистивного испарительного блока полой испарительной секции под расплав германия в виде расположенных вдоль продольной оси графитового бруска указанного испарителя предусмотрены, например, четыре укороченные испарительные выемки (например, с поперечным зазором - шириной выемки 10 мм) под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках расплава германия, при минимальном размере толщины 1 мм графитовых перегородок между указанными испарительными выемками вдоль центральной оси графитового бруска второго испарителя.