Узел фиксации нагреваемой подложки в вакуумной камере (варианты)
UNIT FOR FIXATION OF HEATED SUBSTRATE IN VACUUM CHAMBER (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к технологическому оборудованию для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых структур и может быть использовано в качестве узла фиксации подложки, нагреваемой с помощью пластинчатого или утолщенного ленточного резистивного нагревателя в вакуумных установках, предпочтительно, с фиксацией подложки с нижним расположением ее рабочей поверхности и формированием потоков паров полупроводникового материала, например, германия в направлении снизу вверх от сублимационных источников указанных паров или потоков паров полупроводникового материала, например германия или/и кремния, в направлении снизу вверх от тигельных молекулярных источников на основе электронно-лучевых испарителей.
Вакуумная молекулярно-лучевая эпитаксия объединяет наиболее распространенные сублимационную молекулярно-лучевую эпитаксию и молекулярно-лучевую эпитаксию, основанную на лучевом испарении полупроводникового материала, приводящем к образованию потока паров этого материала для его вакуумного осаждения на подложку (см. раздел «Уровень техники» описания изобретения к патенту РФ №2511279, H01L 21/203, С23С 14/26, 2014).
Типичная установка для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии с формированием потоков паров полупроводникового материала от тигельных молекулярных источников в направлении снизу вверх содержит вакуумную камеру с установленными в ней нижним испарительным узлом, верхним держателем подложки с нагревателем, образующими верхний узел фиксации нагреваемой подложки, и заслонками между ними для задания режима получения заданной архитектуры полупроводниковой структуры (см., например, полезную модель «Установка для выращивания кремний-германиевых гетероструктур» по патенту РФ №92988, H01L 21/363, В82В 3/00, 2010).
В связи с распространенной фиксацией подложки в таких установках в верхнем положении с нижним расположением ее рабочей поверхности (поверхности роста) навстречу потоку паров полупроводникового материала, формируемого в направлении снизу вверх, например, от поверхности расплава германия, надежная фиксация равномерно прогреваемой подложки является актуальной задачей.
Для решения указанной задачи известны конструктивные решения держателя нагреваемой подложки, см., например, выбранный в качестве прототипа узел фиксации нагреваемой подложки, содержащий установленные в вакуумной камере держатель подложки, выполненный с возможностью фиксации подложки, сориентированной поверхностью роста к молекулярному источнику, и резистивный нагреватель, расположенный со стороны нерабочей поверхности подложки, по патенту US №4599069, С23С 14/50, С30В 23/06, С30В 23/08, H01L 21/203, 1986.
В указанном прототипе обеспечивается надежная фиксация равномерно прогреваемой подложки за счет верхнего кольцевого поджима подложки, имеющей круглую форму и размещаемой ее поверхностью роста навстречу направленному (в частном случае) снизу вверх потоку паров полупроводникового материала от тигельного молекулярного источника на внутреннем фланце замкнутого вдоль боковой стенки цилиндрического корпуса держателя и выполнения резистивного нагревателя в виде в виде графитовой пластины, размещенной на верхней нерабочей поверхности подложки.
Однако узел фиксации нагреваемой подложки - прототип низко технологичен в изготовлении в связи с усложненной конструкцией держателя. Указанный недостаток усиливается при использовании подложек различной формы (прямоугольной, круглой и др.).
Технический результат от использования предлагаемого изобретения - повышение технологичности изготовления узла фиксации подложки, нагреваемой с помощью резистивного нагревателя для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии в широком диапазоне форм (прямоугольной, круглой и др.) и размеров используемой подложки за счет оснащения выполненного в виде несущей электропроводящей пластины или утолщенной ленты резистивного нагревателя конструктивно простыми фиксирующими керамическими пластинами и их жесткими или плоско-пружинными зажимами, обеспечивающими совмещение функций держателя и нагревателя подложки.
Для достижения указанного технического результата в узле фиксации нагреваемой подложки по первому варианту, содержащем установленные в вакуумной камере держатель подложки, выполненный с возможностью фиксации подложки, сориентированной поверхностью роста к молекулярному источнику, и резистивный нагреватель, расположенный со стороны нерабочей поверхности подложки, для выполнения резистивным нагревателем функции держателя подложки указанный резистивный нагреватель выполнен в виде несущей электропроводящей пластины или утолщенной ленты, снабженной жаростойкими жесткими зажимами, обеспечивающими неподвижную фиксацию керамических пластин вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки, за счет прижима нависающих фиксирующих скосов торцев керамических пластин к выступающим краям противоположных торцев подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей прямоугольную форму, электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может быть снабжена двумя парами жаростойких жестких зажимов, обеспечивающих каждой парой указанных зажимов неподвижную фиксацию одной из двух керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки вдоль указанной пластины или утолщенной ленты, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины и ли утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих фиксирующих скосов двух торцев указанных керамических пластин к выступающим краям двух противоположных торцев подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей круглую форму, электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может быть снабжена двумя парами жаростойких жестких зажимов, обеспечивающих каждым указанным зажимом неподвижную фиксацию одной из четырех керамических пластин, расположенных попарно с двух противоположных сторон подложки вдоль указанной пластины или утолщенной ленты, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих скосов четырех торцев указанных фиксирующих керамических пластин к выступающим краям двух противоположных пар участков торца подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца подложки.
Для усиления эффекта равномерности прогрева подложки электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может иметь на участке эксплуатационной фиксации подложки ширину, обеспечивающую полное покрытие указанной пластиной или утолщенной лентой нерабочей поверхности подложки.
В частном случае исполнения предлагаемого узла электропроводящая пластина или утолщенная лента может быть изготовлена из тантала, а жаростойкие жесткие зажимы могут быть изготовлены заодно с указанной пластиной или утолщенной лентой из ее же материала в виде отходящих сбоку от указанной пластины или утолщенной ленты сгибаемых плоских выступов.
Кроме того, между электропроводящей пластиной или утолщенной лентой и фиксирующими керамическими пластинами может быть размещена промежуточная керамическая пластина с возможностью контакта с подложкой и обеспечения при нагреве подложки ее стабильной эксплуатационной фиксации.
Для повышения удобства сборки предлагаемого узла электропроводящая пластина или утолщенная лента может иметь между ее концевыми электроподводными участками технологический выгиб с утопленным плоским участком для обеспечения на нем с помощью жаростойких жестких зажимов и фиксирующих керамических пластин эксплуатационной фиксации подложки.
Для достижения указанного технического результата в узле фиксации нагреваемой подложки по второму варианту, содержащем установленные в вакуумной камере держатель подложки, выполненный с возможностью фиксации подложки, сориентированной поверхностью роста к молекулярному источнику, и резистивный нагреватель, расположенный со стороны нерабочей поверхности подложки, для выполнения функции держателя подложки для выполнения резистивным нагревателем функции держателя подложки указанный резистивный нагреватель выполнен в виде несущей электропроводящей пластины или утолщенной ленты, снабженной жаростойкими плоско-пружинными зажимами, обеспечивающими неподвижную фиксацию керамических пластин вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки, за счет прижима нависающих фиксирующих скосов торцев керамических пластин к выступающим краям противоположных торцев подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей прямоугольную форму, электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может быть снабжена двумя жаростойкими плоско-пружинными зажимами, обеспечивающими каждым указанным зажимом неподвижную фиксацию одной из двух керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки вдоль указанной пластины или утолщенной ленты, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих фиксирующих скосов двух торцев указанных керамических пластин к выступающим краям двух противоположных торцев подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей круглую форму, электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может быть снабжена двумя парами жаростойких плоско-пружинных зажимов, обеспечивающих каждым указанным зажимом неподвижную фиксацию одной из четырех керамических пластин, расположенных попарно с двух противоположных сторон подложки вдоль указанной пластины или утолщенной ленты, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением вдоль указанной пластины или утолщенной ленты с помощью этих фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих скосов четырех торцев указанных фиксирующих керамических пластин к выступающим краям двух противоположных пар участков торца подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца подложки.
Для усиления эффекта равномерности прогрева подложки электропроводящая пластина или утолщенная лента резистивного нагревателя может иметь на участке эксплуатационной фиксации подложки ширину, обеспечивающую полное покрытие указанной пластиной или утолщенной лентой нерабочей поверхности подложки.
В частном случае исполнения предлагаемого узла электропроводящая пластина или утолщенная лента может быть изготовлена из тантала, а жаростойкие плоско-пружинные зажимы могут быть выполнены в виде изогнутых упругих узких полос, изготовленных из молибдена, закрепленных с помощью резьбового соединения опорными концами на поверхности электропроводящей пластины или утолщенной ленты со стороны размещения фиксирующих керамических пластин и упирающихся фиксирующими концами в прижимные выемки, выполненные на поверхности фиксирующих керамических пластин.
Кроме того, между электропроводящей пластиной или утолщенной лентой и фиксирующими керамическими пластинами может быть размещена промежуточная керамическая пластина с возможностью контакта с подложкой и обеспечения при нагреве подложки ее стабильной эксплуатационной фиксации.
Для повышения удобства сборки предлагаемого узла электропроводящая пластина или утолщенная лента может иметь между ее концевыми электроподводными участками технологический выгиб с утопленным промежуточным плоским участком для обеспечения на нем с помощью жаростойких плоско-пружинных зажимов и фиксирующих керамических пластин эксплуатационной фиксации подложки.
На фиг. 1 схематически изображен вид сбоку предлагаемого собранного узла фиксации нагреваемой прямоугольной подложки в частном исполнении жестких зажимов для неподвижной фиксации фиксирующих керамических пластин заодно с электропроводящей пластиной из ее же материала в виде отходящих сбоку от указанной пластины согнутых плоских выступов и выгибного технологического участка указанной пластины для сборки предлагаемого узла с промежуточной керамической пластиной, расположенной между электропроводящей пластиной и подложкой; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - форма электропроводящей пластины на фиг. 2 в исходном положении (до сгиба ее плоских выступов); на фиг. 4 - расположение фиксирующих керамических пластин в случае фиксации нагреваемой круглой подложки; на фиг. 5 - вид сбоку предлагаемого собранного узла фиксации нагреваемой прямоугольной подложки в частном исполнении плоско-пружинных зажимов для неподвижной фиксации фиксирующих керамических пластин в виде изогнутых упругих узких полос, закрепленных с помощью резьбового соединения опорными концами на поверхности электропроводящей пластины со стороны размещения фиксирующих керамических пластин и упирающихся фиксирующими концами в прижимные выемки, выполненные на поверхности фиксирующих керамических пластин и выгибного технологического участка указанной пластины для сборки предлагаемого узла с промежуточной керамической пластиной, расположенной между электропроводящей пластиной и подложкой; на фиг. 6 - вид А на фиг. 5.
Предлагаемый узел фиксации нагреваемой подложки (по первому варианту), показанный на фиг. 1 и 2 в собранном виде в примерах его исполнения с используемой прямоугольной подложкой 1 толщиной 2.0 мм (подложка 1 на всех фигурах показана пунктирной линией) содержит резистивный нагреватель, который выполнен в виде несущей электропроводящей пластины 2 толщиной 0.5 мм (указанная толщина может составлять величину от 0.1 до 2.0 мм), изготовленной из тантала и снабженной двумя парами жаростойких жестких зажимов, выполненных заодно с электропроводящей пластиной 2 из ее же материала в виде отходящих сбоку от указанной пластины сгибаемых плоских выступов 3 (см. выступы 3 в исходном положении до их сгиба на фиг. 3), показанных на фиг. 1 и 2 в согнутом виде, обеспечивающими каждой парой неподвижную фиксацию одной из двух фиксирующих керамических пластин 4 толщиной 2.5 мм, изготовленных из поликора и расположенных с двух противоположных сторон подложки 1 вдоль электропроводящей пластины 2, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее расположением вдоль электропроводящей пластины 2 с помощью фиксирующих керамических пластин 4 за счет прижима нависающих фиксирующих скосов 5 двух торцев фиксирующих керамических пластин 4 к выступающим краям двух противоположных торцев подложки 1, скосом 5 одного торца каждой пластины 4 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
Причем, между несущей электропроводящей пластиной 2 и двумя фиксирующими керамическими пластинами 4 размещена промежуточная керамическая пластина 6 толщиной 0.5 мм, изготовленная из поликора, контактирующая с подложкой 1 и обеспечивающая, не смотря на возможное отклонение формы электропроводящей пластины 2 от плоской при нагреве подложки 1 ее стабильную эксплуатационную фиксацию.
В случае фиксации нагреваемой подложки 1, имеющей круглую форму (см. фиг. 4), электропроводящая пластина 2 резистивного нагревателя также снабжена двумя парами сгибаемых плоских выступов 3 (на фиг. 4 не показаны), обеспечивающих каждым согнутым указанным выступом неподвижную фиксацию одной из четырех фиксирующих керамических пластин 4, расположенных попарно с двух противоположных сторон подложки 1 вдоль пластины 2, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее расположением вдоль электропроводящей пластины 2 с помощью фиксирующих керамических пластин 4 за счет прижима нависающих скосов 5 четырех торцев фиксирующих керамических пластин 4 к краям двух противоположных пар участков торца подложки 1, скосом 5 одного торца каждой пластины 4 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
Предлагаемый узел фиксации нагреваемой подложки 1 (по второму варианту), показанный на фиг. 5 и 6 в собранном виде в примере его исполнения с используемой прямоугольной подложкой 1 содержит резистивный нагреватель, который выполнен в виде такой же как по первому варианту несущей электропроводящей пластины 2, но снабженной двумя жаростойкими плоско-пружинными зажимами, выполненными в виде изогнутых упругих сужающихся полос 7 шириной от 5.0 до 2.0 мм и толщиной 0.1 мм, изготовленных из молибдена, закрепленных с помощью резьбового соединения опорными концами на поверхности электропроводящей пластины 2 со стороны размещения фиксирующих керамических пластин 4 и упирающихся фиксирующими концами в прижимные выемки 8, выполненные на поверхности фиксирующих керамических пластин 4 в виде набора прижимных выемок на каждой пластине 3 в зависимости от размеров подложки 1 (на фигурах набор указанных выемок не показан), и обеспечивающими каждым указанным зажимом неподвижную фиксацию одной из двух фиксирующих керамических пластин 4 вдоль пластины 2 с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее расположением вдоль электропроводящей пластины 2 с помощью фиксирующих керамических пластин 4, расположенных с двух противоположных сторон подложки 1, за счет прижима нависающих фиксирующих скосов 5 двух торцев фиксирующих керамических пластин 4 к выступающим краям двух противоположных торцев подложки 1, скосом 5 одного торца каждой пластины 4 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
В случае фиксации нагреваемой подложки 1, имеющей круглую форму (см. фиг. 4, на которой показано размещение фиксирующих керамических пластин 4, одинаковое для предлагаемого узла фиксации нагреваемой подложки 1 по обоим вариантам), электропроводящая пластина 2 резистивного нагревателя снабжена двумя парами жаростойких плоско-пружинных зажимов (на фиг. 4 не показаны), обеспечивающих каждым указанным зажимом неподвижную фиксацию одной из четырех фиксирующих керамических пластин 4, расположенных попарно с двух противоположных сторон подложки 1 вдоль электропроводящей пластины 2 также, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее расположением вдоль электропроводящей пластины 2 с помощью фиксирующих керамических пластин 4 за счет прижима нависающих скосов 5 четырех торцев фиксирующих керамических пластин 4 к выступающим краям двух противоположных пар участков торца подложки 1, скосом 5 одного торца каждой пластины 4 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
В обоих вариантах предлагаемого узла фиксации нагреваемой подложки 1 электропроводящая пластина 2 резистивного нагревателя для равномерного прогрева подложки имеет на участке эксплуатационной фиксации подложки 1 ширину, обеспечивающую полное покрытие электропроводящей пластиной 2 нерабочей поверхности подложки 1, а предлагаемый узел собирается в удобном для сборки технологическом выгибе электропроводной пластины 2 с утопленным плоским участком 9 для обеспечения на нем с помощью жестких или плоско-пружинных зажимов и фиксирующих керамических пластин 4 и промежуточной керамической пластины 6, изложенную выше эксплуатационную фиксацию нагреваемой подложки 1.
Собранный узел в его верхнем расположении в установке для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии обеспечивает надежную вакуумную молекулярно-лучевую эпитаксию, например, германия в результате его осаждения на поверхность роста нагреваемой кремниевой подложки, расположенной поверхностью роста вниз навстречу направленному снизу верх потоку паров от германия, расплавленного в нижнем сублимационном узле испарения (на фигурах не показано).
При этом предлагаемый узел может быть использован в установках для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии с потоком паров полупроводникового материала, направленным сверху вниз или в горизонтальном направлении, с соответствующим изменением расположения узла.
Предлагаемый узел для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии характеризуется повышенной технологичностью его изготовления при изготовлении несущей электропроводящей пластины или утолщенной ленты резистивного нагревателя из тугоплавкого металла или сплава (тантала, молибдена и вольфрама, а также сплава, например, такого, как Resistohm Р135, предназначенного для изготовления резистивной ленты) или в виде других прочных при эксплуатации плоских резистивных нагревателей на неметаллической (стеклопластиковой) в широком диапазоне форм (прямоугольной, круглой и др.) и размеров (длиной от 10.0 мм до 10.0 см) подложки за счет конструктивной простоты фиксирующих керамических пластин и их жестких или плоско-пружинных зажимов (в качестве указанных зажимов могут быть использованы, также и не показанные на фигурах жаростойкие боковые стяжные или пружинные скобообразные зажимы).