Резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для эпитаксии кремний-германиевых структур с помощью атомарных пучков, формируемых в результате испарения кремния и расплава германия с помощью одного резистивного испарителя, и может быть использована в качестве последнего в вакуумных установках для формирования общего потока сублимационных паров кремния и паров расплава германия.
Известен технологичный и экономичный резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии двухкомпонентной полупроводниковой структуры на кремниевой основе (см. статью Павлова Д.А. и др. «Получение методом сублимации легированных пленок поликристаллического кремния» - Физика и техника полупроводников. 1995, т. 29, вып. 2, с. 287), представляющий собой пластину, изготовленную из монокристаллического кремния, легированного мышьяком, сурьмой, бором, алюминием или галлием, и разогреваемую проходящим через нее электрическим током.
Однако, технологичность изготовления такого испарителя снижена в связи с необходимостью изготовления его пластины из легированного кремния.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого резистивного испарителя является известный резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии кремний-германиевой структуры (см. п.п. 6-8 формулы изобретения и описание изобретения по патенту РФ № 2511279, H01L 21/203, С23С 14/26, 2014), выполненный 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), изготовленного из кремния с содержанием германия и снабженного выполненным продольным выступом 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.
Недостатком этого резистивного испарителя является недостаточная технологичность его изготовления и варьирования составов, получаемых эпитаксиальных кремний-германиевых структур в связи с необходимостью изготовления его бруска из кремния, содержащего германий, например, в интервале 4-8%, в зависимости от требуемого состава в пределах 30-70% германия в получаемой кремний-германиевой структуре.
Технический результат от использования предлагаемого резистивного испарителя - повышение технологичности его изготовления и варьирования составов, получаемых эпитаксиальных кремний-германиевых структур в более широком интервале получаемых составов за счет исключения необходимости изготовления его бруска из кремния, содержащего германий, в результате выполнения предлагаемого резистивного испарителя в виде кремниевого бруска, представляющего собой источник сублимационных паров кремния и содержащего изготовленную в нем полую испарительную секцию под расплав германия.
Кроме того, актуальна составляющая указанного технического результата, заключающаяся в расширении арсенала современных эффективных резистивных испарительных средств в технологии вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур.
Для достижения указанного результата в резистивном испарителе для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур, выполненном в виде обеспечивающего одновременное образование сублимационных паров кремния и паров расплава германия бруска с источниками указанных паров, образуемых при резистивном нагреве указанного бруска, к концам которого подведен электрический ток, брусок предлагаемого испарителя изготовлен из кремния для выполнения функции источника сублимационных паров кремния и содержит изготовленную в нем полую испарительную секцию под расплав германия.
Для увеличения равномерности вакуумного осаждения испарительная секция в кремниевом бруске предлагаемого резистивного 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 общего потока испаряемого кремния и расплава германия.
Для повышения производительности осаждения кремний-германиевых структур на подложках повышенной площади кремниевый брусок с испарительной секцией под расплав германия может быть оснащен средством его линейного возвратно-поступательного относительно подложки движения.
Для повышения стабильности нагрева предлагаемого резистивного испарителя в результате снижения нежелательного эксплуатационного изменения контактного сопротивления (появления нагаров в условиях высокой температуры нагрева) бруска этого испарителя в местах подвода электрического тока токоподводы его кремниевого бруска с испарительной секцией под расплав германия могут быть выполнены в виде острых концов указанного бруска, контактирующих с поверхностями подводных проводников электрического тока.
На фиг. 1 схематически показан вид сбоку предлагаемого резистивного испарителя; на фиг. 2 - расчетная кривая температурной зависимости давления атомарных паров кремния и германия и на фиг. 3 - расчетная кривая температурной зависимости содержания кремния и германия в эпитаксиальном слое на подложке.
Предлагаемый резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур (см. фиг. 1) выполнен в виде обеспечивающего одновременное образование сублимационных паров кремния и паров расплава германия кремниевого бруска 1, представляющего собой источник сублимационных паров кремния и содержащего изготовленную в нем полую испарительную секцию под расплав германия, состоящую из нескольких расположенных вдоль продольной оси кремниевого бруска 1 укороченных испарительных выемок 2 под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках расплава германия, одновременно участвующих в формировании общего потока испаряемого кремния и расплава германия.
При этом токоподводы кремниевого бруска 1 с испарительной секцией под расплав германия выполнены в виде острых (конических) концов указанного бруска, контактирующих с поверхностями 3 подводных проводников электрического тока.
Работоспособность предлагаемого резистивного испарителя при проведении вакуумной эпитаксии кремния и германия на оксиде кремния подтверждается следующим обоснованием.
На фиг. 2 представлена зависимость давления атомарных паров р (давление насыщенного пара, мм. рт.ст.) кремния (от источника сублимационных паров кремния - непосредственно, кремниевого бруска 1) и расплава германия (в испарительных выемках 2 кремниевого бруска 1) от температуры указанных паров Т (абсолютная температура, К), рассчитанная на основе известного соотношения между указанными параметрами:
где А и В - эмпирические константы кремния или германия в заданном температурном интервале (см. книгу авторов Бибик Е.Е. и др. «Новый справочник химика и технолога». Санкт-Петербург, НПО «Профессионал», 2006, с. 228).
При этом скорость осаждения кремния и германия пропорциональна давлению их паров.
В предлагаемом резистивном испарителе температуры нагрева кремниевого бруска 1 и расплава германия в его испарительных выемках 2 одинаковы, однако зависимости давлений паров от температуры для кремния и германия отличаются. Соответственно, будут отличаться отношения скоростей осаждения кремния и германия для разных температур. Таким образом, температуру можно использовать для управления составом растущего слоя.
При высокой температуре кремний и германий начинают интенсивно испаряться. Увеличивается давление паров кремния и расплава германия в области между предлагаемым резистивным испарителем и подложкой с поверхностным слоем оксида кремния (на фигурах не показана). Если скорость осаждения материала на подложку (скорость роста) пропорциональна давлению паров материала, то содержание материала в эпитаксиальном слое пропорционально относительной концентрации материала в парах испаряемых веществ.
Причем концентрацию германия в указанном слое можно оценить по формуле:
и кремния по формуле:
Ge
Si
где p и p - давления паров германия и кремния, соответственно.
Вывод формулы (2):
Ge
Ge
Si
Si
Ge
Ge
Ge
Si
Ge
Ge
Si
Абсолютное значение количества осажденного материала на подложку пропорционально парциальному давлению данного материала вблизи подложки. Т.е. количество осажденных атомов германия можно вычислить по формуле N=K*p, где K -эмпирический коэффициент. Аналогично для кремния N=K*p. Тогда, относительная концентрация германия будет вычисляться по формуле: n=N/(N+N)=p/(p+p).
С учетом формул (1), (2) и (3) рассчитана зависимость содержания кремния и германия в эпитаксиальном слое в зависимости от температуры, которая на фиг. 3 представлена в графическом виде.
Поэтому, обеспечивается в более технологичном режиме (с помощью резистивного регулирования температуры) варьирование получаемых составов эпитаксиального слоя на подложке в более широком интервале получаемых составов с помощью предлагаемого резистивного испарителя в сравнении с резистивным испарителем - прототипом, в соответствии с которым регулируют концентрацию германия в получаемой эпитаксиальной кремний-германиевой структуре соответственно от 30 до 70% в зависимости от содержания германия в материале второй пластины (в интервале 4-8%).
Следует учитывать, что формула (1) - для насыщенных паров испаряемого материала. Вообще говоря, это давление будет только около испарителя, давление около подложки будет меньше, но пропорционально давлению около испарителя. Чем больше испаряемая поверхность, тем медленнее падает давление при удалении от испарителя. Таким образом, давление паров испаряемых материалов и, соответственно, скорость осаждения каждого из них должны зависеть от площади испаряемых поверхностей источников -пропорционально площади. То есть, меняя относительные площади источников кремния и германия, можно менять относительные концентрации кремния и германия в слое. Далее в таблице представлены оценки относительных концентраций данных материалов в слое при различных относительных площадях испарения источников кремния и расплава германия.
Причем расчетные оценки изменения получаемых составов в зависимости от температуры нагрева резистивного испарителя при различных соотношениях его размеров, обеспечивающих поверхности испарения кремния и расплава германия (см. следующую таблицу) проделаны с учетом пропорциональной зависимости между площадью испаряемой поверхности материала и концентрацией материала в получаемой эпитаксиальной кремний-германиевой структуре.
Таким образом, обеспечивается повышение в более технологичном режиме варьирование получаемых составов эпитаксиального слоя на подложке в более широком интервале получаемых составов с помощью предлагаемого резистивного испарителя в сравнении с резистивным испарителем - прототипом за счет возможности регулирования как резистивного нагрева температуры предлагаемого резистивного испарителя, так и соотношений его размеров, обеспечивающих поверхности испарения кремния и расплава германия.
Одновременно, предлагаемый резистивный испаритель более технологичен в изготовлении в сравнении с резистивным испарителем - прототипом в результате исключения необходимости изготовления его бруска из кремния, содержащего германий.