УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ИЗ ЖИДКОЙ ФАЗЫ НАНОГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
GROWTH UNIT OF NANOHETEROEPITAXIAL STRUCTURES WITH QUANTUM DOTS FROM LIQUID PHASE

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к установкам для выращивания наногетероэпитаксиальных структур методом жидкофазной эпитаксии, и может быть использовано при производстве материалов для полупроводниковых приборов.
Известна конструкция установки (2011 - №2 (32). - С. 9-14, UA) - аналог. Основными элементами разработанной установки являются: трехзонная печь сопротивления, содержащая электронные блоки управления и поддержания температуры с точностью не менее 0.5°C при температуре в интервале 300-600°C, размещенный в печи горизонтальный кварцевый реактор с металлической водоохлаждаемой крышкой, который имеет возможность вращаться вокруг своей продольной оси, расположенная в реакторе технологическая оснастка, вакуумно-газораспределительная система, компьютеризованная система управления процессом формирования многослойных структур. Технологическая оснастка включает кассету из графита, молибденовые штоки, теплоноситель (теплопоглотитель и теплонагреватель) из материала с высокой теплопроводностью. Кассета состоит из корпуса, 3-х слайдеров, которые перемещаются внутри корпуса кассеты. В одном из слайдеров размещаются подложки, а в двух других - емкости с растворами-расплавами. В центре стенок корпуса кассеты, отделяющих слайдер с подложками от слайдеров с емкостями, имеются проливные щели. В слайдере с подложками созданы углубления для размещения подложек и углубления для ростовых камер под каждой из подложек, в которых расположены поплавки для разделения растворов-расплавов, поступающих соответственно из емкостей, размещенных в слайдерах с емкостями.
Слайдеры с емкостями содержат по несколько емкостей, в которых размещаются различные растворы-расплавы с соответствующими пластинами полупроводниковых материалов для подпитки растворов-расплавов. В боковых стенках емкостей имеются щели, позволяющие при совмещении с проливными щелями стенок корпуса кассеты перемещать раствор-расплав из данной емкости в ростовую камеру, расположенную под каждой из подложек, на которой осуществляется выращивание структуры. Перемещение слайдеров в корпусе кассеты, а также теплоносителя на тыльную поверхность подложки осуществляется с помощью молибденовых штоков, позиционирующих двигателей и компьютеризованной системы управления процессом формирования наногетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками (НГЭС КТ).
К совпадающим признакам аналога и предлагаемого изобретения следует отнести следующее:
1. Конструкция слайдера с подложкой обеспечивает контакт теплоносителя с тыльной поверхностью подложки. Образующийся при этом импульс охлаждения или нагревания перемещается через подложку к границе рабочей поверхности подложки и раствора-расплава, находящегося в ростовой камере. При этом создаются условия кристаллизации или частичного растворения нанообразований на рабочей поверхности подложки.
2. Перемещение емкостей с различными растворами-расплавами обеспечивает поочередное и многократное совмещение рабочей поверхности подложки с соответствующими растворами-расплавами в ростовой камере.
3. Конструкция установки позволяет позиционировать подложку, фиксированно осуществлять контакт теплоносителя с тыльной поверхностью подложки, что позволяет автоматизировать процесс выращивания и обеспечивает воспроизводимость параметров получаемых структур с идентичными параметрами по всей площади.
К основным недостаткам аналога следует отнести то, что:
1. При повороте кассеты, под действием сил тяжести, производится удаление раствора-расплава перемещением поплавка в ростовой камере от одной емкости к другой, что не гарантирует полного удаления раствора-расплава с поверхности подложки и может приводить к механическим повреждениям рабочей поверхности подложки при контакте с двигающимся поплавком, при этом не обеспечивается качество выращиваемых слоев.
2. Трехзонная нагревательная печь с электронными блоками управления и поддержания температуры, в силу инерционности, не обеспечивает воспроизводимо необходимый температурный режим теплоносителя, выполняющего функции теплонагревателя и теплопоглотителя, как в зоне охлаждения, так и в зоне нагревания теплоносителя.
3. Повороты горизонтального реактора в печи на угол ±90° представляет угрозу для обеспечения сохранности кварцевого реактора.
4. Конструкция установки позволяет получать несколько наногетероструктур в одном технологическом процессе, но не позволяет выращивать наноструктуры в полунепрерывном или непрерывном процессе.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является установка, описанная в патенте UA №103253 (Кл. H01L 21/208, C30B 19/00) - опубл. 25.09.2013, Бюл. №18 - прототип. Основными элементами разработанной установки являются: вертикальный кварцевый реактор с верхней и нижней крышками, в центре нижней крышки реактора расположен первый шток, имеющий возможность осуществлять поворот вокруг своей оси, на котором закреплена графитовая кассета с отверстиями, для размещения контейнеров, содержащих слайдеры с подложками, а также емкости с различными растворами-расплавами, второй и третий штоки, проходящие через нижнюю крышку реактора, выполнены с возможностью осуществлять перемещения вдоль оси реактора, при этом второй шток может перемещать контейнеры и емкости из кассеты в шлюзовую загрузочно-разгрузочную камеру, расположенную на верхней крышке реактора и наоборот, а третий шток может перемещать контейнеры для закрепления слайдеров с подложками к нижнему основанию цилиндра, верхняя часть цилиндра закреплена в верхней крышке реактора с возможностью вращения вокруг оси, внутри цилиндра, перемещается шток с теплоносителем от теплоемкости к тыльной поверхности подложки и наоборот, формирование наногетероэпитаксиальных структур осуществляется в ростовой камере, образованной рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания слайдера и поверхностью раствора-расплава. К основным недостаткам прототипа следует отнести то, что:
1. Конструкция кассеты, в которой размещены контейнеры с подложками и емкости с растворами-расплавами, не позволяет получать НГЭС КТ на подложках большого диаметра, т.к. это приводит к существенному увеличению диаметра реактора, в котором не обеспечивается постоянная, идентичная температура для выращивания.
2. Закрепление слайдера с подложкой на нижнем основании цилиндра не позволяет многократно точно позиционировать подложку и обеспечивать получение воспроизводимых параметров НГЭС КТ.
3. Ростовая камера, ограниченная рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания слайдера и поверхностью насыщенного раствора-расплава, может иметь на поверхности раствора-расплава области окисных слоев и кристаллических образований с низкой плотностью материала.
4. Теплоемкость с регулируемой температурой, в силу инерционности, не обеспечивает необходимый температурный режим теплоносителя, выполняющего функции теплонагревателя и теплопоглотителя, как его охлаждение, так и нагревание.
К совпадающим признакам прототипа и предлагаемого изобретения следует отнести следующее:
1) реактор с верхней и нижней крышками;
2) контейнеры, в которых размещены подложки и емкости с различными растворами-расплавами;
3) шток, проходящий через нижнюю крышку реактора, выполнен с возможностью осуществлять перемещения вдоль оси реактора емкостей с различными растворами-расплавами для приведения их в контакт с рабочей поверхностью подложки, а также контейнеров с подложками;
4) верхняя часть цилиндра закреплена в устройстве, размещенном на верхней крышке реактора, выполненном с возможностью осуществлять вращение цилиндра вокруг своей оси для удаления остатков раствора-расплава с рабочей поверхности подложки после ее отделения от раствора-расплава;
5) размещенные внутри цилиндра теплоемкость и теплоноситель, который имеет возможность с помощью устройства, расположенного на верхней крышке реактора, перемещаться вдоль оси цилиндра от тыльной поверхности подложки к теплоемкости и наоборот.
Целью настоящего изобретения является создание установки для выращивания из жидкой фазы наногетероэпитаксиальных структур с идеальными квантовыми точками, конструктивные особенности которой обеспечили бы возможность получения таких структур с высокой производительностью в непрерывном процессе выращивания.
Цель достигается тем, что установка (Фиг. 1) для выращивания из жидкой фазы наногетероэпитаксиальных структур с идеальными квантовыми точками (НГЭС ИКТ) содержит реактор, выполненный в виде «креста», внутри горизонтальной части реактора расположена кассета с отверстиями для емкостей с различными растворами-расплавами, контейнеров с подложками и контейнеров для складирования наноструктур с возможностью их перемещения в шлюзовую загрузочно-разгрузочную камеру, кассета размещена на профильных направляющих, закрепленных на боковых крышках реактора, с возможностью перемещения емкостей и контейнеров вдоль оси реактора до их поочередного совмещения с цилиндром, внутри вертикальной части реактора расположен шток, проходящий через центр нижней крышки реактора, выполненный с возможностью осуществлять перемещение контейнеров из кассеты к нижнему основанию цилиндра для закрепления подложек при создании вакуума внутри цилиндра и отделении наноструктур в контейнер при поступлении водорода во внутрь цилиндра, а также емкостей для создания ростовой камеры, образованной рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания цилиндра и поверхностью насыщенного раствора-расплава, проходящего через отверстия плавающей пластины заданной формы с различной конфигурацией отверстий, шток, проходящий через центр верхней крышки реактора, выполнен с возможностью осуществлять перемещение внутри цилиндра теплоносителя от теплоемкости с постоянной температурой и теплоемкости в виде кольца с индукционным импульсным нагревом, которые размещены отдельно друг от друга вдоль вертикальной оси цилиндра.
1. В прототипе диаметр кассеты ограничивается диаметром реактора. Т.к. в кассете контейнеры с подложками и емкости с растворами-расплавами соответствуют диаметру подложек, то, например, при диаметре реактора 200 мм может осуществляться выращивание НГЭС КТ в кассете на подложках кремния диаметром не более 52 мм (2ʺ). Реактор диаметром более 200 мм не обеспечивает постоянную, идентичную температуру в сечении реактора. Необходимость использования подложек большого диаметра обусловлена тем, что в промышленности уже не выпускаются кремниевые подложки диаметром менее 4ʺ и нет спроса на структуры меньше этого размера.
В предлагаемом изобретении реактор выполнен в виде «креста», где при диаметре реактора 200 мм выращивание НГЭС ИКТ может осуществляться на подложках кремния диаметром до 6ʺ.
2. В прототипе, закрепление на нижнем основании цилиндра слайдера с подложкой не позволяет многократно точно позиционировать подложку, т.к. после каждого процесса выращивания НГЭС КТ происходит отделение слайдера с НГЭС КТ от нижнего основания цилиндра и закрепление другого слайдера с подложкой. При многократном отделении и закреплении не обеспечивается получение воспроизводимых параметров НГЭС КТ. В прототипе каждый контейнер содержал слайдер с подложкой и перемещался в шлюзовую камеру с НГЭС КТ, т.е. производительность установки зависела от работы шлюзовой камеры, обеспечивающей перемещение контейнеров.
В предлагаемом изобретении, для многократного точного позиционирования и закрепления подложки внутри цилиндра создается вакуум, при котором подложка тыльной поверхностью, из контейнера, перемещается в посадочное отверстие цилиндра. Такое техническое решение позволяет освободиться от слайдера. После формирования НГЭС ИКТ, подложка с выращенной наноструктурой отделяется от основания цилиндра при поступлении водорода вовнутрь цилиндра. В заявленном изобретении один контейнер содержит магазин подложек, а другой контейнер предназначен для готовых наноструктур. Таким образом, производительность установки в заявленном изобретении выше и зависит от работы кассеты, обеспечивающей перемещение контейнеров.
3. В прототипе ростовая камера, ограниченная рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания слайдера и поверхностью насыщенного раствора-расплава, может иметь на поверхности раствора-расплава области окисных слоев и кристаллических образований с низкой плотностью материала, т.к. в емкости содержится растворитель в виде легкоплавкого металла с высокой плотностью, а растворяемое вещество имеет низкую плотность и поэтому всплывает. В заявленном изобретении ростовая камера ограничена рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания цилиндра и поверхностью плавающей пластины, через отверстия которой насыщенный раствор-расплав заполняет ростовую камеру. При использовании плавающей пластины, в сечении имеющей вид прямоугольного треугольника с острым углом , гипотенуза которого направлена вверх, производится удаление раствора-расплава с рабочей поверхности подложки, которое обеспечивается эффектом «скатывания с горки», а также удаление остатков раствора-расплава с рабочей поверхности подложки обеспечивается вращением цилиндра вокруг его оси.
Контакт раствора-расплава с рабочей поверхностью подложки осуществляется с помощью пластины, отверстия которой имеют различные конфигурации. Такое техническое решение позволяет не только эпитаксиальное наращивание нанослоев, массивов квантовых точек, но и наращивание омических контактов из растворов-расплавов. Использование пластин специальной конфигурации и конфигурацией отверстий в них позволяет осуществлять локальное эпитаксиальное наращивание токосъемных омических контактов на лицевой поверхности наноструктур, используемых для преобразования солнечного излучения в одном технологическом процессе их изготовления.
4. В прототипе теплоемкость с регулируемой температурой, в силу инерционности, не обеспечивает необходимый температурный режим теплоносителя, как его охлаждение, так и нагревание. Поэтому в заявленном изобретении внутри цилиндра теплоемкость представлена в виде пластины с постоянной температурой для теплопоглотителя и теплоемкость с индукционным импульсным нагревом в виде кольца для теплонагревателя, которые размещены отдельно друг от друга вдоль вертикальной оси цилиндра. Наличие вакуума внутри цилиндра позволяет осуществлять передачу импульса холода и тепла на тыльную поверхность подложки без сопротивления среды. Такое решение способствует ускорению процесса выращивания наноструктур и увеличения производительности предлагаемой установки.
Суть изобретения представлена на Фиг. 1.
Установка состоит из печи сопротивления 1, в которой размещен реактор 2, выполненный в виде «креста», металлического корпуса 3, обеспечивающего, с помощью устройства 4, закрепление и перемещение верхней крышки 5, размещенной на вертикальной части реактора 2, на верхней крышке расположены: верхняя часть цилиндра 6 с возможностью вращения в устройстве 7, ввод 8, обеспечивающий подачу в реактор очищенного водорода, вакуумированная камера 9 для создания вакуума внутри цилиндра 6 и закачки-откачки водорода во внутрь цилиндра 6, устройство 10 для перемещения вверх-вниз штока 11, а на нижней крышке 12 вертикальной части реактора расположен вывод 13 для водорода; корпус 3 обеспечивает закрепление хомутами 14 горизонтальную часть реактора, внутри которого расположена кассета 15 с отверстиями для размещения емкостей 16 с растворами-расплавами 17, контейнеров 18 с подложками 19 и контейнеров 20 для складирования наноструктур, кассета размещена на профильных направляющих 21, закрепленных к корпусу боковых крышек 22, 23, привод 24 обеспечивает поочередное перемещение емкостей 16 и контейнеров 18, 20 вдоль оси реактора до их совмещения с цилиндром 6, а также их перемещение в шлюзовую загрузочно-разгрузочную камеру 25; внутри вертикальной части реактора расположены штоки, проходящие через центры верхней 5 и нижней 12 крышек реактора, которые осуществляют перемещения вдоль оси реактора, шток 26 с помощью устройства 27 перемещает контейнеры 18, 20 из кассеты 15 к нижнему основанию цилиндра 6 для закрепления подложек 19 при создании вакуума внутри цилиндра и отделении наноструктур при поступлении водорода вовнутрь цилиндра с помощью вакуумированной камеры 9, а также перемещает емкости 16 для создания ростовой камеры 28, образованной рабочей поверхностью подложки 19, внутренней поверхностью нижнего основания цилиндра 6 и поверхностью раствора-расплава, проходящего через отверстия плавающей пластины 29 заданной формы с различной конфигурацией отверстий, устройство 7 обеспечивает вращение цилиндра 6 для удаления остатков раствора-расплава 17 с рабочей поверхности подложки, шток 11 имеет возможность с помощью устройства 10 перемещать внутри цилиндра теплоноситель, который в качестве теплопоглотителя 30 перемещается от теплоемкости 31 с постоянной температурой, а в качестве теплонагревателя 30 из теплоемкости 32, выполненной в виде кольца с индукционным импульсным нагревом, к тыльной поверхности подложки 19.
Работа установки осуществляется следующим образом (на примере выращивания наногетероэпитаксиальной структуры с идеальными квантовыми точками НГЭС ИКТ).
-3
1. В реакторе включается система электропитания, осуществляется откачка воздуха с помощью вакуумно-газораспределительной системы до давления Р~10 мм рт.ст., устанавливается поток очищенного водорода, осуществляется разогрев печи, включение компьютеризированной системы автоматики, управления и контроля параметров процесса.
2. После достижения в реакторе заданной температуры проводится выращивание НГЭС ИКТ при постоянной температуре Т=450°C. Для этого с помощью привода 24 обеспечивается перемещение кассеты 15 вдоль горизонтальной оси реактора по профильным направляющим 21 до положения совмещения контейнера 18 с подложками 19 со штоком 26 в режиме системы автоматики, управления и контроля параметров процесса.
3. Шток 26 с помощью линейного актуатора 27 перемещает контейнер 18 из кассеты 15 к нижнему основанию цилиндра 6, где подложка 19 закрепляется к основанию цилиндра при создании вакуума внутри цилиндра с помощью вакуумно-газораспределительной системы. Шток 26 перемещает контейнер 18 в отверстия кассеты 15.
4. С помощью привода 24 обеспечивается перемещение кассеты 15 вдоль горизонтальной оси реактора по профильным направляющим 21 до положения совмещения емкости 16 с насыщенным раствором-расплавом 17 со штоком 26 для выращивания нанослоя.
5. Шток 26 с помощью линейного актуатора 27 перемещает емкость 16 с насыщенным раствором-расплавом 17, на поверхности которого расположена плавающая пластина 29 до контакта с нижним основанием цилиндра. Через отверстия в пластине 29 производится заполнение ростовой камеры 28 и рабочая поверхность подложки 19 приходит в контакт с насыщенным раствором-расплавом 17.
6. Шток 11, с помощью линейного актуатора 10, перемещает внутри цилиндра 6 теплопоглотитель 30 от теплоемкости 31 с импульсом холода на тыльную поверхность подложки 19. Образующийся при этом импульс охлаждения перемещается через подложку к границе рабочей поверхности подложки и раствора-расплава, находящегося в ростовой камере 28, при этом создаются условия для кристаллизации нанослоя.
7. Шток 11 возвращает теплопоглотитель 30 от тыльной поверхности подложки 19 к теплоемкости 31, где теплопоглотитель при контакте с теплоемкостью приобретает импульс холода.
8. Шток 26 отделяет емкость 16 от нижнего основания цилиндра 6, обеспечивая удаление раствора-расплава с рабочей поверхности подложки. Устройство 7 производит вращение цилиндра 6 с подложкой и удаление раствора-расплава в емкость 16. Шток 26 перемещает емкость 16 в кассету 15.
9. С помощью привода 24 обеспечивается перемещение кассеты 15 вдоль горизонтальной оси реактора по профильным направляющим 21 до положения совмещения второй емкости 16, содержащей другой насыщенный раствор-расплав 17, со штоком 26 для выращивания квантовых точек (КТ).
10. Шток 26 перемещает вторую емкость 16 с насыщенным раствором-расплавом 17, на поверхности которого расположена плавающая пластина 29, до контакта с нижним основанием цилиндра. Через отверстия в пластине 29 производится заполнение ростовой камеры 28 и рабочая поверхность подложки 19 приходит в контакт с насыщенным раствором-расплавом 17.
11. Шток 11 перемещает внутри цилиндра 6 теплопоглотитель 30 от теплоемкости 31 с импульсом холода на тыльную поверхность подложки 19, при этом создаются условия для кристаллизации КТ.
12. Шток 11 возвращает теплопоглотитель 30 от тыльной поверхности подложки к теплоемкости 32, где теплопоглотитель 30 приобретает импульс тепла в качестве теплонагревателя 30.
13. Шток 11 перемещает внутри цилиндра 6 теплонагреватель 30 из теплоемкости 32 с импульсом тепла на тыльную поверхность подложки 19, при этом создаются условия для частичного растворения смачивающего слоя между квантовыми точками на рабочей поверхности подложки, что обеспечивает получение идеальных квантовых точек.
14. Шток 11 возвращает теплонагреватель 30 от тыльной поверхности подложки к теплоемкости 30, где теплонагреватель приобретает импульс холода в качестве теплопоглотителя 30.
15. Шток 26 отделяет вторую емкость 19 от нижнего основания цилиндра 6, обеспечивая удаление раствора-расплава с рабочей поверхности подложки. Устройство 7 производит вращение цилиндра 6 с подложкой и удаление раствора-расплава в емкость 16. Шток 26 перемещает вторую емкость 16 в кассету 15.
16. Многократное последовательное повторение пп. 3-15 позволяет вырастить сверхрешетку, содержащую массивы квантовых точек, зарощенных нанослоями матричного материала как n-типа, так и p-типа проводимости и получение наногетероэпитаксиальных структур.
17. Эпитаксиальное наращивание омических контактов на наногетероэпитаксиальных структурах в одном технологическом процессе обеспечивается контактом раствора-расплава с рабочей поверхностью подложки с помощью пластины, отверстия которой имеют конфигурацию, которая соответствует положению омических контактов на наногетероэпитаксиальной структуре.