Керамический блок фиксации нагреваемой подложки для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых структур и может быть использована в качестве блока фиксации подложки, нагреваемой с помощью изготовленного из тугоплавкого металла или сплава пластинчатого или 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 электроннолучевых 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 блоком, верхним держателем подложки с нагревателем, образующими верхний блок 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 блок 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 (см. фиг. 4-7 в описании изобретения 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 фиксирующего 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 цилиндрической выемки несущей пластины держателя и выполнения резистивного нагревателя в виде в виде графитовой пластины, размещенной на верхней нерабочей поверхности подложки.
Однако блок фиксации нагреваемой подложки - прототип низко технологичен в изготовлении и имеет пониженные ресурс и ремонтопригодность в связи с усложненной формой несущей части держателя.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - повышение технологичности изготовления, ресурса и ремонтопригодности блока фиксации подложки, нагреваемой с помощью изготовленного из тугоплавкого металла или сплава резистивного нагревателя для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии в широком диапазоне форм (прямоугольной, круглой и др.) и размеров используемой подложки за счет упрощения конструкции несущей части держателя, выполненной в виде двух несущих керамических пластин с размещенным между ними выполненным в виде электропроводящей полосы (пластины или ленты) резистивным нагревателем и оснащенной жаростойкими жесткими зажимами, обеспечивающими неподвижную фиксацию конструктивно простой накладной керамической пластины с отверстием под подложку вдоль одной из указанных несущих керамических пластин с наружной стороны с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее расположением в указанном отверстии фиксирующей пластины вдоль этой же несущей керамической пластины с наружной стороны с помощью указанной фиксирующей керамической пластины за счет прижима нависающих скосов торца отверстия этой фиксирующей керамической пластины к выступающим краям торцев подложки.
Для достижения указанного технического результата в блоке фиксации нагреваемой подложки, 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, держатель подложки выполнен в виде жестко соединенных между собой и расположенных параллельно друг к другу двух несущих керамических пластин с размещенным между ними плоским резистивным нагревателем и снабжен жаростойкими жесткими зажимами, обеспечивающими неподвижное расположение фиксирующей керамической пластины с отверстием под подложку вдоль одной из указанных несущих керамических пластин с наружной стороны с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее размещением в указанном отверстии фиксирующей пластины вдоль этой же несущей керамической пластины с наружной стороны с помощью указанной фиксирующей керамической пластины за счет прижима нависающих скосов торца отверстия этой фиксирующей керамической пластины к выступающим краям торцев подложки.
В частном случае исполнения предлагаемого блока плоский резистивный нагреватель может быть изготовлен в виде прямоугольной пластины или зигзагообразной утолщенной ленты из тантала, а жаростойкие жесткие зажимы могут быть выполнены в виде электропроводящего резьбового соединения, проходящего через отверстия в паре несущих керамических пластин и фиксирующей керамической пластине, причем по меньшей мере два указанные резьбовые соединения могут быть присоединены к плоскому резистивному нагревателю для электроподвода к нему через них.
На фиг. 1 показан вид сбоку предлагаемого собранного блока фиксации нагреваемой круглой подложки в вакуумной камере в частном исполнении жестких зажимов в виде резьбовых соединений для неподвижной фиксации фиксирующих керамических пластин; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид сверху электропроводящей зигзагообразной ленты, представляющей собой резистивный нагреватель перед сборкой предлагаемого блока.
Предлагаемый блок фиксации нагреваемой подложки, показанный на фиг. 1 и 2 в собранном виде в примере его исполнения с используемой круглой кремниевой подложкой 1 толщиной 2.0 мм (подложка на всех фигурах показана пунктирной линией) содержит резистивный нагреватель (см. фиг. 3), который выполнен в виде зигзагообразной ленты 2 из тантала толщиной 0.5 мм (указанная толщина может составлять величину от 0.1 до 2.0 мм), размещенной между расположенными вдоль друг друга двумя несущими керамическими пластинами 3 толщиной 1.5 мм (указанная толщина может варьироваться от 0.1 до 5.0 мм в зависимости от задачи повышения эффективности теплообмена между лентой 2 и подложкой 1), изготовленными из поликора и образующими держатель подложки 1, снабженный двумя жаростойкими жесткими зажимами, выполненными в виде резьбовых соединений 4, проходящих каждое через отверстия в паре несущих керамических пластин 3 и изготовленной из поликора фиксирующей керамической пластине 5 толщиной 2.5 мм с круглым отверстием 6 под подложку 1 и обеспечивающих неподвижное расположение (фиксацию) фиксирующей керамической пластины 5 вдоль одной из указанных несущих керамических пластин 3 с наружной стороны с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее расположением в отверстии 6 фиксирующей керамической пластины 5 вдоль этой же несущей керамической пластины 3 с наружной стороны за счет прижима нависающих скосов 7 конического торца в отверстии 6 фиксирующей керамической пластины 5 к выступающим краям цилиндрического торца круглой подложки 1.
При этом по меньшей мере два указанные резьбовые соединения 4 изготовлены электропроводящими и присоединены к электропроводящей зигзагообразной ленте 2 для электроподвода к ней через них.
Собранный блок в его верхнем расположении и фиксации с помощью зажимов вакуумной камеры (на фигурах не показаны) 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 1, 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 блок для вакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии характеризуется повышенными технологичностью его изготовления, ресурсом и ремонтопригодностью при изготовлении плоского резистивного нагревателя в виде электропроводящей пластины или ленты из тугоплавких металлов или сплавов (тантала, молибдена и вольфрама, а также сплава, например, такого, как Resistohm Р135, предназначенного для изготовления резистивной ленты), для широкой группы форм (прямоугольной, круглой и др.) и размеров (длиной от 10.0 мм до 10.0 см) подложки 1 при исполнении соответствующей формы отверстия за счет конструктивной простоты несущей части держателя, выполненной в виде двух несущих керамических пластин 3 с размещенным между ними указанным плоским резистивным нагревателем, а также накладной фиксирующей керамической пластины 5 и ее жестких зажимов (в качестве указанных зажимов могут быть использованы, также и не показанные на фигурах жаростойкие боковые стяжные скобообразные зажимы).
2
3
Так как поликор (Тпл=2000°С) и, например, вольфрам (Тпл=3422°С) обладают высокой температурой плавления, а они являются материалом несущих керамических пластин 3 держателя и плоского резистивного нагревателя предлагаемого блока, то можно свободно варьировать температуры при выращивании полупроводниковых структур на подложках Si (Тпл=1415°С), AlO (Тпл=2050°С), ситала (Тпл=1030°С), поликоровых (Тпл=2000°С) и др.
Использование предлагаемого керамического блока фиксации нагреваемой подложки в вакуумной камере с жесткими зажимами фиксирующих керамических пластин в установках для молекулярно-лучевой эпитаксии возможно для получения оптоэлектронных приборов, резисторов, транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), структур с пониженной размерностью (квантовые точки, квантовые ямы и квантовые нити), лазеров и прочих полупроводниковых структур.