ГРАФИТОВЫЙ ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ЭПИТАКСИИ ГЕРМАНИЯ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию вакуумных установок для эпитаксии полупроводниковых структур с помощью атомарных пучков, формируемых в результате испарения расплава германия или другого полупроводника, расплав которого обладает низкой смачиваемостью с графитом, и может быть использована в графитовых испарителях резистивного нагрева.
Уровень техники в области графитовых испарителей резистивного нагрева характеризуется использованием таких испарителей в условиях пропускания электрического тока через графитовый испаритель, приводящего к его нагреву и расплавлению металлического материала в нем для нанесения вакуумным испарением металлических покрытий (см., например, патенты US 2665227, С23С 14/26, 1954 и JPH 04124260, С23С 14/24, 2000).
Эти аналоги являются отдаленными по отношению к заявляемому графитовому испарителю для вакуумной эпитаксии германия в связи с низкой технико-экономической эффективностью технологической реализации таких аналогов с высоким по стоимости проточным испаряемым расплавом полупроводника - германия, а также в связи с различием повышенной смачиваемости ряда расплавленных металлов и сплавов вследствие их склонности к химическому взаимодействию с графитом (см. обзор указанных свойств расплавов таких металлов и сплавов на сайте в Интернет: http://www.ngpedia.ru/id440873p1.html) и низкой смачиваемости расплава германия с графитом испарителя.
Высокая смачиваемость расплава указанного выше ряда металлов и сплавов с графитом испарителя позволяет осуществить в указанных аналогах производительный линейный источник вакуумного испарения, а низкая смачиваемость расплава германия с графитом испарителя обусловливает возможность создания эффективным только укороченного (точечного), но менее производительного источника паров германия, образующихся в результате испарения расплава германия.
Причем для вакуумной эпитаксии полупроводниковых структур с помощью атомарных (молекулярных) пучков, формируемых в результате испарения полупроводникового материала в графитовых испарителях, известны лишь испарительные ячейки (ячейки Кнудсена) с графитовыми тиглями, снабженными нагревательными спиралями для медленного истечения испаряемых атомов (молекул) от нагретого, но нерасплавленного полупроводникового материала (см., например обзорную статью «Эпитаксиальные методы» от 15.02.2015 г. на сайте в Интернете: http://popnano.ru/studies/index.php?task=view&id=428), которые могут использоваться в наборе с размещением в каждой из испарительных ячеек одного из разнородных элементов, входящих в состав растущего эпитаксиального слоя, и не относятся к графитовым испарителям резистивного нагрева.
В связи с изложенным заявитель выбрал форму изложения формулы и описания полезной модели - без прототипа.
Технический результат предлагаемой полезной модели - разработка конструкции графитового испарителя резистивного нагрева для вакуумной эпитаксии германия, обеспечивающей формирование атомарного пучка, образующегося в результате испарения расплава германия и улучшенного по распределению плотности потока испаряемого германия вдоль его поперечного сечения и производительности эпитаксии с его приближением к атомарному пучку от линейного источника паров указанного материала, образующихся в результате испарения расплава германия в условиях низкой смачиваемости расплава германия с графитом испарителя за счет увеличения равномерности распределения плотности потока испаряемого германия вдоль его поперечного сечения и площади роста равномерных по толщине эпитаксиальных слоев на подложке в результате выполнения графитового испарителя на основе нескольких укороченных продольных испарительных выемок под отдельные укороченные (точечные) источники паров, одновременно участвующие в формировании общего атомарного пучка от предлагаемого графитового испарителя.
Для достижения указанного технического результата предлагается графитовый испаритель для вакуумной эпитаксии германия, выполненный в виде стержня с испарительной секцией под расплав германия, образуемый в нем в результате его нагрева электрическим током, подводимым к концам указанного стержня, характеризующийся тем, что для увеличения равномерности распределения плотности потока испаряемого расплава германия вдоль его поперечного сечения испарительная секция состоит из нескольких расположенных вдоль стержня укороченных испарительных выемок под отдельные источники паров распределенного в испарительных выемках расплава германия, одновременно участвующих в формировании упомянутого испаряемого потока расплава германия.
В частном случае выполнения предлагаемого графитового испарителя стержень с испарительной секцией изготовлен из спектрально чистого графита.
Для улучшения режима вакуумной эпитаксии полупроводниковых материалов, обеспечивающего равномерное распределение свойств эпитаксиального слоя в плоскости, параллельной подложке, в предлагаемом графитовом испарителе стержень с испарительной секцией может быть оснащен средствами его линейного (вдоль центральной оси стержня) возвратно-поступательного движения относительно подложки.
Для повышения стабильности нагрева графитового испарителя в результате снижения нежелательного эксплуатационного изменения контактного сопротивления (появления нагаров в условиях высокой температуры нагрева) графитового испарителя в местах подвода электрического тока в предлагаемом графитовом испарителе токоподводы стержня с испарительной секцией могут быть выполнены в виде острых концов указанного стержня, контактирующих с поверхностями подводных проводников электрического тока.
На фиг. 1 схематически показан вид сбоку в разрезе предлагаемого графитового испарителя с расплавленным германием в испарительных выемках и точечным подводом электрического тока к противоположным концам графитового испарителя; на фиг. 2 графически показано сравнительное планарное распределение толщины полупроводникового эпитаксиального слоя на верхней подложке вдоль центральной оси стержня нижнего графитового испарителя с одной укороченной испарительной выемкой и тремя расположенными вдоль стержня укороченными испарительными выемками.
Предлагаемый графитовый испаритель (см. фиг. 1) выполнен в виде стержня 1 с испарительной секцией под расплав германия, образуемый в нем в результате его нагрева прямым пропусканием через стержень 1 электрического тока, подводимого с помощью двух охлаждаемых тоководов (узких молибденовых пластин) 2, контактирующих с противоположными острыми (коническими) концами 3 указанного стержня, зажатого между тоководами 2.
При этом испарительная секция стержня 1 состоит из трех 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 стержень 1 изготовлен из спектрально чистого графита, который имеет высокую температуру плавления и не вступает в химическую реакцию с расплавом германия. Кроме того, использование графита в качестве материала стержня 1 позволяет снизить количество нежелательных примесей в растущем эпитаксиальном слое германия на подложке, поскольку давление паров углерода будет меньше давления паров азота в случае использования пиролитического нитрида бора.
Пример использования предлагаемого графитового испарителя при проведении вакуумной эпитаксии германия на кремнии.
Стержень 1, зафиксированный в нижнем положении по отношению к подложке, изготовленной из кремния (на фиг. 1 верхняя подложка не показана), с тремя укороченными испарительными выемками 4 под отдельные три источника паров распределенного в выемках 4 расплава германия, обеспечивает их одновременное участие в формировании атомарного потока германия, формирующего в условиях высокого вакуума при 300°С на нижней поверхности верхней кремниевой подложки эпитаксиальный слой монокристаллического германия, качество которого контролируют методом электронографии.
В качестве обоснования улучшения атомарного пучка от предлагаемого графитового испарителя с более равномерным распределением плотности потока испаряемого германия вдоль его поперечного сечения и более высокой производительностью эпитаксии в сравнении с атомарным пучком от точечного источника паров указанного материала в настоящем описании приведено следующее расчетное (подтверждаемое экспериментально) сравнительное планарное распределение толщины полупроводникового эпитаксиального слоя на верхней подложке вдоль центральной оси стержня нижнего графитового испарителя с одной укороченной испарительной выемкой и тремя расположенными вдоль стержня укороченными испарительными выемками (см. фиг. 2).
Показанные на фиг. 2 кривые распределения толщины полупроводникового эпитаксиального слоя (кривая «А» - для графитового испарителя с одной укороченной испарительной выемкой и кривая «В» - для графитового испарителя с тремя расположенными вдоль стержня укороченными испарительными выемками) построены на основе: использования приведенной в книге Данилиной Т.И. и др. «Процессы микро- и нанотехнологии». Томск, ТУСУР, 2004, на с. 58 на сайте в Интернет: http://www.twirpx.com/file/418811/ формулы для планарного распределения толщины эпитаксиальной пленки в случае точечного источника паров (кривая «А»):
0
(где d - толщина пленки над источником паров (в точке х=0, у=0);
d - толщина пленки в точке с координатами х, у;
h - расстояние между источником паров и подложкой),
пригодной для каждого точечного источника паров в случае предлагаемого графитового испарителя, состоящего из трех таких источников,
и расчета планарного распределения итоговой толщины пленки в результате ее образования при одновременном испарении расплава полупроводникового материала из трех указанных источников (кривая «В») путем сложения планарных распределений трех толщин, из которых складывается итоговая толщина пленки и каждая из которых рассчитана по своей формуле (1) при у=0 и смещении х вдоль центральной оси предлагаемого графитового испарителя (стержня 1), в соответствии со следующей формулой:
При этом в качестве базы расчета использованы точечный источник паров, расположенный напротив центра подложки (при формировании атомарного пучка от графитового испарителя с одной укороченной испарительной выемкой), и предлагаемый графитовый испаритель с тремя источниками паров, расположенными по центру подложки на расстоянии 3 см друг от друга и на расстояниях двух крайних источников паров 2 см от краев подложки диаметром 10 см (при формировании атомарного пучка от предлагаемого графитового испарителя). В обоих сравниваемых случаях подложка расположена на расстоянии 5 см от соответствующего испарителя.
Предлагаемый графитовый испаритель с тремя источниками паров позволяет получать более равномерные по толщине эпитаксиальные слои на подложках большой площади.
Для этого можно использовать несколько предлагаемых графитовых испарителей в одной установке.
Другим вариантом может быть использование механической системы, позволяющей перемещать испаритель вдоль подложки. Скорость роста эпитаксиальных слоев в такой системе можно варьировать в широком пределе, меняя температуру трех источников в предлагаемом графитовом испарителе.