Керамический блок фиксации нагреваемой подложки в вакуумной камере с плоскопружинными зажимами фиксирующих керамических пластин

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 дискового 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 над верхней нерабочей поверхностью 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. Указанные недостатки дополняются необходимостью изготовления отдельных держателей при использовании подложек различной формы (прямоугольной, круглой и др.).
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 с наружной стороны конструктивно простыми фиксирующими керамическими пластинами и их жаростойкими плоскопружинными зажимами, обеспечивающими эксплуатационную фиксацию подложки с ее расположением вдоль указанной несущей керамической пластины с помощью этих фиксирующих керамических пластин, расположенных также вдоль указанной несущей керамической пластины с двух противоположных сторон подложки, за счет прижима нависающих фиксирующих скосов торцов фиксирующих керамических пластин к выступающим краям противоположных торцов 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 плоскопружинными зажимами, обеспечивающими неподвижное расположение фиксирующих керамических пластин вдоль одной из указанных несущих керамических пластин с наружной стороны с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее размещением вдоль этой же несущей керамической пластины с наружной стороны с помощью указанных фиксирующих керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки, за счет прижима нависающих скосов торцов этих фикисирующих керамических пластин к выступающим краям противоположных торцов подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей прямоугольную форму, держатель подложки может быть снабжен двумя плоскопружинными зажимами, обеспечивающих каждой парой указанных зажимов неподвижное расположение одной из двух фиксирующих керамических пластин, расположенных с двух противоположных сторон подложки вдоль несущей керамической пластины со стороны подложки с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее размещением вдоль указанной несущей керамической пластины с наружной стороны с помощью указанных фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих скосов двух торцов этих фиксирующих керамических пластин к выступающим краям двух противоположных торцов подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца подложки.
В случае фиксации нагреваемой подложки, имеющей круглую форму, держатель подложки может быть снабжен двумя парами жаростойких плоскопружинных зажимов, обеспечивающих каждым указанным зажимом неподвижное расположение одной из четырех фиксирующих керамических пластин, расположенных попарно с двух противоположных сторон подложки вдоль несущей керамической пластины со стороны подложки с возможностью эксплуатационной фиксации подложки с ее размещением свдоль этой же несущей керамической пластины с наружной стороны с помощью указанных фиксирующих керамических пластин за счет прижима нависающих скосов четырех торцов этих фиксирующих керамических пластин к выступающим краям двух противоположных пар участков торца подложки, скосом одного торца каждой пластины к краю соответствующего противоположного торца 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 плоскопружинные зажимы могут быть выполнены в виде изогнутых упругих узких полос, изготовленных из молибдена, закрепленных каждая с помощью проходящего через отверстие в паре несущих керамических пластин электропроводящего резьбового соединения опорными концами на поверхности несущей керамической пластины со стороны подложки и упирающихся фиксирующими концами в прижимные выемки, выполненные на поверхности фиксирующих керамических пластин, причем, по меньшей мере два указанные резьбовые соединения могут быть присоединены к плоскому резистивному нагревателю для электроподвода к нему через них.
Для регулирования прижима подложки к наружной поверхности несущей керамической пластины нависающими скосами торцов фиксирующих керамических пластин в результате их продольных смещений отверстие в каждой фиксирующей керамической пластине может быть выполнено удлиненным.
На фиг. 1 показан вид сбоку предлагаемого собранного блока фиксации нагреваемой прямоугольной подложки в вакуумной камере в частном исполнении плоскопружинных зажимов 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, и на фиг. 4 - расположение фиксирующих керамических пластин (вид снизу) в случае фиксации нагреваемой круглой подложки.
Предлагаемый блок фиксации нагреваемой подложки, показанный на фиг. 1 и 2 в собранном виде в примере его исполнения с используемой прямоугольной 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 плоскопружинными зажимами, выполненными в виде изготовленных из молибдена изогнутых упругих сужающихся полос 4 шириной от 5 до 2 мм и толщиной 0.1 мм, закрепленных опорными концами на поверхности несущей керамической пластины 3 со стороны размещения подложки 1 с помощью резьбовых соединений 5, проходящих также каждое через отверстия в паре несущих керамических пластин 3 для их жесткого скрепления, обеспечивая каждым указанным зажимом неподвижное расположение (фиксацию) одной из двух изготовленных из поликора фиксирующих керамических пластин 6 толщиной 2.5 мм вдоль одной из указанных несущих керамических пластин 3 с наружной стороны с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 с ее размещением вдоль этой же несущей керамической пластины 3 с наружной стороны с помощью двух фиксирующих керамических пластин 6, расположенных по одной с двух противоположных сторон подложки 1, за счет прижима нависающих скосов 7 двух торцов фиксирующих керамических пластин 6 к выступающим краям противоположных двух торцов подложки 1, скосом 7 одного торца каждой пластины 6 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
При этом изогнутые упругие узкие полосы 4 упираются фиксирующими концами в прижимные выемки 8, выполненные на поверхности фиксирующих керамических пластин 6, а по меньшей мере два указанные резьбовые соединения 5 изготовлены электропроводящими и присоединены к электропроводящей зигзагообразной ленте 2 для электроподвода к ней через них.
В случае фиксации нагреваемой подложки 1, имеющей круглую форму (см. фиг. 4), держатель подложки 1, образованный двумя несущими керамическими пластинами 3, снабженный четырьмя жаростойкими плоскопружинными зажимами, выполненными в виде изогнутых упругих сужающихся полос 4, с возможностью эксплуатационной фиксации подложки 1 за счет прижима нависающих скосов 7 четырех торцов фиксирующих керамических пластин 6 к выступающим краям двух противоположных пар участков торца подложки 1, скосом 7 одного участка торца каждой пластины 6 к краю соответствующего противоположного торца подложки 1.
Для регулирования прижима подложки 1 к наружной поверхности несущей керамической пластины 3 нависающими скосами 7 торцов фиксирующих керамических пластин 6 в результате их продольных смещений крепежное отверстие под резьбовое соединение 5 в основании каждой изогнутой упругой сужающейся полосы 4 может быть выполнено удлиненным (на фигурах не показано).
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 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 фиксирующих керамических пластин 5 и их плоскопружинных зажимов (в качестве указанных зажимов могут быть использованы, также и не показанные на фигурах жаростойкие боковые пружинные 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.