Динамический испаритель твердых растворов
DYNAMIC EVAPORATOR OF SOLID SOLUTIONS

Изобретение относится к области формирования тонких пленок сложного состава в вакууме и может быть использовано в микроэлектронике.
Известен испаритель (патент РФ №2142021, МПК С23С 14/24, опубл. 27.11.1999), действие которого основано на взрывном испарении твердого раствора путем резкого увеличения температуры испарения до величины, значительно большей, чем температура трудноиспаряемого компонента твердого раствора, позволяющий получить в испаряемом облаке пара практически все атомы, содержащиеся в его структуре.
Однако облако пара в этом случае содержит не только отдельные атомы, но и их комплексы и даже отдельные микрокапли, формирующие неоднородную структуру состава пленок твердого раствора.
Известен испаритель (Данилин Б.С. Вакуумное нанесение тонких пленок, М., «Энегия», 1967, с. 12-20), содержащий в качестве теплового нагревателя электронный, ионный или лазерный лучи, в котором повышение стехиометрии пленок сложного состава достигается сообщением испаряемому материалу энергии, значительно превосходящей энергию связи его атомов, поэтому в пар переходят одновременно атомы и легколетучих, и труднолетучих материалов. Это позволяет получать пленки, по составу очень близкие к стехиометрической формуле.
Однако необходимость перемещения луча по навеске с целью исключения образования в ней кратеров и повышения равномерности потока испаряемого материала увеличивает стоимость самих устройств испарителей с электронным, ионным и лазерным нагревом и их эксплуатации настолько, что эти испарители используют только для производства дорогостоящих изделий, что, безусловно, увеличивает стоимость интегральных микросхем.
Известен испаритель (патент РФ №1824457, МПК С23С 14/24, опубл. 30.06.1993.), содержащий равновысотные внешний стакан, образующий корпус устройства, и встречно коаксиально вставленный в него внутренний стакан, выполняющий функцию заслонки, имеющий возможность возвратно-поступательного движения относительно корпуса, нагреватель, размещенный со стороны внешнего стакана, выходное отверстие, образованное кольцевым зазором между стенками стаканов, в центре дна внешнего стакана с внутренней стороны имеется цилиндрическое углубление для закладки многокомпонентного материала, устраняющего перекос внутреннего стакана за счет попадания частиц распыляемого материала под торец его стенки. Однако, в процессе испарения, в начальные моменты времени, в полости корпуса внутреннего стакана происходит накопление легколетучего компонента, затем данный пар уже никак не участвует в процессе перемешивания и выхода его из корпуса испарителя, в результате мнокомпонентные пленки получаются с нарушенной стехиометрией состава.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является испаритель многокомпонентных растворов (патент РФ №2348738, МПК С2314/24, опубл. 10.03.2009), содержащий корпус, нагреватель, размещенный со стороны внешней поверхности корпуса и заслонку, выполненную в виде крышки, опирающейся выступами на корпус, внутренняя часть которой входит в полость корпуса, конструктивно изготовленная в виде конуса высотой 0,9H>h>d, где Н - высота внутренней полости корпуса, h - высота конусной части заслонки, d - внутренний размер полости корпуса, при этом в верхней части заслонки по образующей выполнен прямоугольный выступ диаметром D, плотно закрывающий полость корпуса в закрытом состоянии.
Однако при открывании заслонки атомы испаряемого многокомпонентного материала двигаются не только в направлении подложки, конденсируясь на ней, но и в других направлениях, отличных от направления, перпендикулярного к поверхности подложки. Это приводит к нарушению равномерности по толщине и стехиометричности наносимой пленки и нецелесообразному расходу испаряемого многокомпонентного материала. Для устранения этого недостатка приходится осуществлять вращение карусели, на которой размещаются подложки, и увеличивать количество многокомпонентого материала, загружаемого в испаритель.
В основу поставлена задача формирования направленного потока атомов твердого раствора сложного состава, соответствующего стехиометрическому составу при одновременном увеличении однородности их распределения по поверхности подложки.
Указанная задача при осуществлении изобретения достигается тем, что динамический испаритель твердых растворов, содержащий корпус в виде стакана и заслонку в виде крышки, внутренняя часть которой коаксиально входит в полость корпуса и выполнена в виде конуса, установленную с возможностью возвратно-поступательного движения относительно корпуса, нагреватель, размещенный со стороны внешней поверхности корпуса, выходное отверстие, образованное кольцевым зазором между стенками заслонки и корпуса, согласно изобретению корпус испарителя дополнительно содержит продолжение конструкции в виде кольца высотой 1/3 - 2/3 высоты конусной части заслонки испарителя и внутренним диаметром, равным внешнему диаметру корпуса испарителя, причем толщина кольца равна толщине стенок корпуса испарителя.
Кроме того, внутренняя поверхность кольца, взаимодействующая с торцевой поверхностью заслонки, имеет выступы трапециевидной формы сечения с верхним основанием, равным 1-3 мм, и нижним основанием 4-7 мм, причем упомянутые выступы расположены друг от друга на расстоянии 3-5 размеров верхнего основания трапециевидного выступа трапеции, а величина зазора между упомянутой торцевой поверхностью кольцеобразного выступа заслонки и поверхностью трапециевидных выступов упомянутого кольца корпуса равна 1,5-3 мм, причем высота трапециевидных выступов не должна превосходить толщину стенки корпуса.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображена конструкция испарителя твердых растворов с закрытой заслонкой. На фиг. 2 изображен вид сверху. Конструкция содержит корпус 1, заслонку 2, нагреватель 3, заслонка имеет кольцеобразный выступ 4, которым упирается в корпус, кольцо 5, образующее с корпусом единую нераздельную конструкцию, выступы кольца трапециевидной формы в сечении 6, между торцевой поверхностью кольцеобразного выступа заслонки и поверхностью кольца корпуса имеется зазор 7.
Формирование направленного потока атомов твердого раствора сложного состава осуществляется следующим образом. На дно корпуса помещается многокомпонентный материал, корпус закрывается заслонкой, осуществляется откачка вакуумной камеры до рабочего давления, необходимого для испарения труднолетучего компонента при заданной температуре, с помощью нагревателя производят нагрев многокомпонентного материала до температуры испарения труднолетучего компонента, при установлении в корпусе давления, при котором обеспечивается парциальное давление компонентов, достаточное для нанесения на подложку многокомпонентной пленки заданного стехиометрического состава, заслонка открывается, происходят порционное испарение и конденсация на подложку атомов всех компонентов, при этом деление внутри корпуса падает, заслонка закрывается и давление внутри корпуса начинает расти до следующего момента открытия заслонки, таким образом на поверхности подложки периодически конденсируются порции атомов до момента образования пленки необходимой толщины, после чего отключается электропитание нагревателя и процесс открывания заслонки прекращается.
2
Следует отметить, что главным условием непрерывной работы испарителя твердых растворов является дополнение конструкции корпуса 1 испарителя конструкцией кольца 5 высотой h от 1/3 до 2/3 высоты конусной части заслонки испарителя h и внутренним диаметром D, равным внешнему диаметру корпуса испарителя 1, причем толщина кольца 5 равна толщине стенок корпуса испарителя и образует с корпусом 1 единую конструкцию таким образом, что кольцо является продолжением указанного корпуса испарителя.
2
Уменьшение высоты кольцевой части корпуса испарителя h менее 1/3 высоты конусной части заслонки h приводит к ее выбросу из корпуса испарителя и прекращению процесса импульсного испарения твердого раствора. С другой стороны увеличение этой высоты более 2/3 высоты конусной части заслонки испарителя h нецелесообразно из-за отсутствия полезных свойств и дополнительного расхода материала испарителя. Кроме этого, верхняя часть кольцевой конструкции испарителя имеет меньшую температуру относительно области нагрева корпуса испарителя, поэтому для устранения процесса оседания атомов распыляемого материала на эту поверхность необходимо увеличивать температуру, формируемую нагревателем испарителя. При невыполнении этого условия на верхней поверхности кольца будет наращиваться пленка твердого раствора, уменьшающая величину зазора между поверхностями корпуса испарителя и заслонки, приводящая к неконтролируемому изменению толщины формируемого слоя твердого раствора. Следует отметить, что кольцо и корпус испарителя представляют собой единую конструкцию и изготавливаются в едином технологическом процессе.
На внутренней поверхности кольца 5 выполняются выступы 6 трапециевидной формы сечения. Изготовление выступов трапециевидной формы сечения с верхним основанием размером менее 1 миллиметра приводит к быстрому износу и увеличению зазора между поверхностями заслонки и указанными выступами кольцевой конструкции. В этом случае появляется возможность возникновения колебаний в направлении, перпендикулярном движению заслонки, что, безусловно, приводит к неконтролируемому изменению режимов формирования пленки твердого раствора. Однако изготовление размеров верхнего основания трапеции более 3 миллиметров сокращает размеры длины зазора между корпусом и заслонкой испарителя, т.е. происходит разделение пара на заметные сегменты. Для устранения неравномерности по высоте пленки твердого раствора необходимо вводить в технологический процесс дополнительную операцию вращения подложки, на поверхности которой и формируется пленка твердого раствора. Кроме того, высота выступов трапециевидной формы сечения не должна превосходить толщину стенки корпуса. В противном случае нарушается герметичность внутреннего объема корпуса при закрытой крышке.
Для увеличения прочности конструкции выступов трапециевидной формы сечения 6 нижнее основание трапеций выполняют равным 4-7 миллиметров. При изготовлении выступов трапециевидной формы сечения с нижним основанием трапеции размером менее 4 миллиметров происходит крошение материала выступа от вершины трапеции к ее основанию и изменение площади взаимодействия поверхностей заслонки и корпуса испарителя, что приводит к интенсивному износу материала выступов и возникновению неконтролируемого зазора. Изготовление выступов 6 трапециевидной формы сечения с нижним основанием трапеции размером более 7 миллиметров нецелесообразно, более того это сокращает площадь и форму зазора между заслонкой и корпусом испарителя и приводит к перераспределению структуры пара испаряемого твердого раствора. Для устранения этого указанные выступы располагают на расстоянии 3-5 размеров верхних оснований трапециевидного выступа. Уменьшение расстояния между указанными выступами менее 3 размеров верхних оснований трапециевидного выступа приводит к заметному влиянию размеров и формы зазора между заслонкой и корпусом испарителя на параметры режима испарения, а оседание атомов распыляемого материала на их поверхности приводит к неконтролируемому изменению площади зазора и изменению параметров пленок твердого раствора. Необходимо отметить, что изменением высоты выступов трапециевидной формы в сечении образуют зазор между торцевой поверхностью кольцеобразного выступа заслонки и поверхностью трапециевидных выступов упомянутого кольца корпуса, равный 1,5-3 мм. Изготовление указанного зазора менее 1,5 миллиметра уменьшает зазор, сокращая скорость испарения твердого раствора, а при увеличении давления в корпусе испарителя приводит к увеличению скорости испаряемых атомов, которые, бомбардируя поверхность подложки, способны как отражаться от формируемых слоев на поверхности этой подложки, так и распылять уже сформированные слои атомов твердого раствора. Увеличение указанного зазора более 3 миллиметров нецелесообразно, т.к. практически не увеличивает скорость истечения атомов твердого раствора из внутреннего объема корпуса испарителя.