УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ

Полезная модель относится к электронной технике, а именно, к получению полупроводниковых материалов, и может быть использована при создании полупроводниковых приборов.
Известно устройство для осаждения слоев из газовой фазы [Патент RU 2053585, опубл. 27.01.1996.]. В водоохлаждаемом корпусе устройства расположен подложкодержатель в виде вертикально установленной воронки с гнездом для размещения пластины рабочей поверхностью вниз на верхнем торце подложкодержателя Нижняя часть подложкодержателя выполнена в виде хвостовика, состыкованного с механизмом вращения. Патрубок подачи реакционного газа установлен в хвостовике соосно с подложкодержателем и выполнен неподвижным и имеет на верхнем торце газораспределительную насадку, расположенную непосредственно под пластиной. Подложкодержатель размещен внутри кварцевого реактора. Нагрев внутреннего реакционного объема обеспечивается излучателями типа галогенных ламп, заключенных внутри водоохлаждаемых отражателей. Устройство имеет достаточно сложную конструкцию и малоэффективно.
-7
3
-1
-8
3
-1
Известен горизонтальный реактор для эпитаксиального роста β-SiC на кремнии [W. von Munch, U. Ruhnau / New susceptor arrangement for the epitaxial growth of β-SiC on silicon.- Journal of Crystal Growth 158 (1996) 491-496]. В этой установке держатель с установленной на нем подложкой введены в кварцевую трубу с двойными стенками, между которыми циркулирует вода для их охлаждения. Снаружи этой трубы расположена катушка высокочастотного индуктора, который нагревает графитовый держатель токами высокой частоты. Графитовый держатель имеет форму конической со стенками переменной толщины. Кремниевая подложка крепится во входной широкой части графитового держателя и касается держателя только краями. Форма держателя выбрана из условия минимизации градиента температур на кремниевой подложке. Реакционная смесь газов, включающая метан и силан, подается со стороны подложки. Расход метана составлял 10 мсек, расход силана (1-2)10 мсек. Давление процесса 100-300 Па. Температура подложки составляет 1300-1350°С, диаметр подложки около 50 мм. Основной недостаток этого и других реакторов с индукционным нагревом и холодными стенками кварцевой трубы - низкая эффективность, и как следствие, высокое энергопотребление. Кроме того, индукционный нагрев приводит к разогреву только графитового держателя, оставляя стенки реактора относительно холодными. Это приводит к возникновению больших градиентов температур в области прохождения химических реакций, что отрицательно сказывается на однородности толщины и свойств растущей пленки карбида кремния.
В качестве прототипа выбран химический газофазный CVD реактор [Andre Leycuras. Optical monitoring of the growth of 3C SiC on Si in a CVD reactor. Diamond and Related Materials 6 (1997) 1857-1861]. В этом устройстве графитовый цилиндрический держатель помещен на корпусе термопары, расположенном вертикально по оси реактора. На графитовый держатель укладывается кремниевая подложка. Держатель с термопарой введены в кварцевую неохлаждаемую трубу. Снаружи этой трубы расположена катушка высокочастотного индуктора. Газ подается в верхнюю часть кварцевой трубы и выводится из нижней. Давление метан-силановой газовой смеси составляет около 10 Па, температура подложки -1200-1400°С. Это устройство, как и описанное выше, обладает низкой эффективностью, поскольку использует индукционный нагрев. Другим негативным следствием индукционного нагрева является то, что устройство позволяет выращивать пленки только кубического политипа, и выращенные пленки существенно не однородны.
В основу полезной модели поставлена задача расширения арсенала средств, а именно, создание устройства, предназначенного для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке, и обладающего низким энергопотреблением. Дополнительный результат - повышение качества полученных пленок.
2
Устройство для получения эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевой подложке имеет водоохлаждаемый корпус, внутри которого коаксиально ему установлена реакционная камера со стенками, имеющими форму цилиндрической трубы, которая выполнена из кристаллического жаропрочного материала. В реакционной камере установлен графитовый держатель образца. В верхней части реакционной камеры имеется патрубок подвода реакционной газовой смеси, в нижней - патрубок для ее отвода. Устройство снабжено средством для нагрева. От прототипа устройство отличается тем, что средство для нагрева представляет собой резистивный нагреватель, выполненный в виде графитовой трубы, охватывающей стенки реакционной камеры в зоне расположения держателя образца. Токоподводы резистивного нагревателя предназначены для подключения к источнику постоянного тока, а полость между стенками водоохлаждаемого корпуса и стенками реакционной камеры заполнена пористым графитом. При этом стенки реакционной камеры выполнены из сапфира, а в качестве газа используют СО или СО или их смесь.
Более подробно сущность решения раскрыта в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется фигурой чертежа, на которой представлена схема устройства в продольном разрезе.
Устройство имеет вертикально ориентированный водоохлаждаемый цилиндрический корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3 соответственно. Внутри корпуса 1 коаксиально ему установлена сапфировая труба, стенки 4 которой ограничивают объем реакционной камеры 5. В реакционной камере по ее оси размещена термопара, на трубчатом керамическом корпусе 6 которой установлен графитовый держатель 7 образца, выполненный в виде пластины (диска). Подвод смеси реакционных газов осуществляется через патрубок 8, расположенный в верхней части сапфировой трубы 4, отвод - через нижний патрубок 9.
Устройство имеет резистивный нагреватель, который представляет собой отрезок графитовой трубы 10, которая охватывает стенки сапфировой трубы в зоне расположения держателя 7 образца. Токоподводы 11 нагревателя выведены через нижнюю крышку и подключены к источнику постоянного тока - сварочному инвентору.
Полость между стенками водоохлаждаемого корпуса и сапфировой трубой заполнена пористым графитом 12.
Устройство работает следующим образом.
-2
-3
2
Кремниевую подложку, представляющую собой, пластину монокристаллического кремния, вырезанную с учетом кристаллографической ориентации, помещают на держатель образца, откачивают воздух до давления 10-10 Па, после чего на токоподводы 11 подают напряжение от источника тока, например, сварочного инвентора, с диапазоном регулирования тока 100-200 А. Ток вызывает нагрев графитовой трубы 10, а, следовательно, держателя образца, и помещенной на него кремниевой пластины, до температуры 950-1400°С. Затем выполняют прокачку через сапфировую трубу газа, содержащего оксид углерода (а именно, оксид углерода СО или диоксид углерода СО или их смесь), давление в реакционной зоне поддерживают в пределах 20-600 Па, а температуру - в указанном интервале. Время переходного процесса зависит от задаваемой конечной температуры и составляет 5-15 мин. В процессе работы устройства осуществляется химическая реакция с образованием карбида кремния на пластине кремния. Время проведение процесса зависит от многих факторов и составляет 10-60 мин.
Реальный процесс осуществлялся в вакуумной печи отечественного производства, а для создания вакуума использовались отечественные форвакуумные и турбомолекулярные насосы. Загрузку и выгрузку образцов осуществляли, вынимая фланец с трубчатым керамическим корпусом термопары с установленным на нем графитовым держателем образца.
Как показали проведенные исследования, заявленное устройство, использующее резистивный нагрев внутреннего объема, позволяет повысить энергетическую эффективность по сравнению с известными (индукционными). Кроме того, применение пористого графитового кольцевого слоя, выполняющего функцию теплоизоляции, способствует снижению теплопередачи к корпусу, а, следовательно, обеспечить высокую температурную однородность зоны нагрева. Применение сапфировой трубы позволяет работать при высоких температурах.
Проведение реакции при высоких температурах при отсутствии в реакционной зоне градиентов температуры, а также использование оксидов углерода, позволяет получать на поверхности кремниевой подложки эпитаксиальные пленки карбида кремния не только кубического политипа. Кроме того, наличие микропор в слое между пленкой карбидом кремния и кремниевой подложкой, формирующихся при использовании СО в качестве реакционного газа, снижает напряжения в пленке карбида кремния, вызванные отличиями параметров кристаллических решеток подложки и пленки, что положительно влияет на качество пленки.