Графитовый резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для эпитаксии кремний-германиевых структур с помощью атомарных пучков, формируемых в результате испарения кремния и расплава германия с помощью одного графитового резистивного испарителя, и может быть использована в качестве последнего в вакуумных установках для формирования общего потока сублимационных паров кремния и паров расплава германия.
Уровень техники в области графитовых резистивных испарителей для вакуумной эпитаксии характеризуется крайне ограниченным количеством информационных источников, содержащих сведения о них (см., например, графитовый испаритель для вакуумной эпитаксии германия по патенту РФ165625, H01L 21/203, 2016).
Указанный испаритель, выполненный в виде стержня с испарительной секцией под расплав полупроводникового материала, образуемый в нем в результате его нагрева электрическим током, подводимым к концам указанного стержня, и характеризующийся тем, что для увеличения равномерности распределения плотности потока испаряемого расплава германия вдоль поперечного сечения указанного потока 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 потока испаряемого расплава германия, предназначен для получения однокомпонентной эпитаксиальной полупроводниковой (германиевой) структуры и является слишком отдаленным аналогом предлагаемого графитового резистивного испарителя, для того, чтобы быть выбранным в качестве его прототипа.
В качестве прототипа предлагаемого графитового резистивного испарителя выбран известный неграфитовый резистивный испаритель, но для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур (см. пп. 6-8 формулы изобретения и описание изобретения по патенту РФ 2511279, H01L 21/203, С23С 14/26, 2014), выполненный в виде бруска (имеющего форму пластины, при этом понятие брусок применимо к полупроводниковому изделию в более широком смысле по отношению к понятию пластина в связи с уже сложившейся практикой: см., например, «полупроводниковое изделие выполнено в виде бруска» в патенте РФ №2120684, а также см., например, «брусок - простейшая деталь, бывает разных размеров, сечений и формы» на сайте в Интернет http://delta-grup.ru/bibliot/99/33.htm), изготовленного из кремния с содержанием германия и снабженного выполненным продольным выступом на его рабочей поверхности для образования на поверхности этого выступа при резистивном нагреве указанного бруска и удержания на нем расплава германия - источника паров расплава германия.
Указанный испаритель - прототип характеризуется недостаточной технологичностью его изготовления и варьирования составов получаемых эпитаксиальных кремний-германиевых структур в связи с необходимостью изготовления его бруска из кремния, содержащего германий, например, в интервале 4-8%, в зависимости от требуемого состава в пределах 30-70% германия в получаемой кремний-германиевой структуре, а также суженным интервалом составов получаемых эпитаксиальных кремний-германиевых структур при концентрации германия в получаемой кремний-германиевой структуре, соответственно, от 30% до 70% в зависимости от содержания германия в материале указанного бруска.
Технический результат от использования предлагаемого резистивного испарителя - повышение технологичности его изготовления и варьирования составов, получаемых эпитаксиальных кремний-германиевых структур в более широком интервале получаемых составов за счет исключения необходимости изготовления его бруска из кремния, содержащего германий и само расширение интервала составов получаемых кремний-германиевых структур в результате выполнения предлагаемого резистивного испарителя в виде в виде графитового бруска с изготовленной в нем продольной полой испарительной секцией, заполняемой в направлении вдоль нее чередующимся материалом кремния, образующим при резистивном нагреве пары кремния, и материалом германия, переходящим при резистивном нагреве графитового бруска в фазу расплава, образующего пары расплава германия.
Кроме того, актуальна составляющая указанного технического результата, заключающаяся в расширении арсенала современных эффективных резистивных испарительных средств в технологии вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур.
Для достижения указанного результата в резистивном испарителе для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур, выполненном в виде обеспечивающего одновременное образование сублимационных паров кремния и паров расплава германия бруска с источниками указанных паров, образуемых при резистивном нагреве указанного бруска, для чего к концам этого бруска подведен электрический ток, предлагаемый испаритель выполнен в виде графитового бруска с изготовленной в нем продольной полой испарительной секцией, заполняемой в направлении вдоль нее чередующимся материалом кремния, образующим при резистивном нагреве пары кремния, и материалом германия, переходящим при резистивном нагреве графитового бруска в фазу расплава, образующего пары расплава германия.
Для увеличения равномерности вакуумного осаждения графитовый брусок предлагаемого испарителя может содержать изготовленную в нем продольную полую испарительную секцию, заполняемую чередующимися фрагментами материала кремния и германия с условием максимизации покрытия ими дна указанной испарительной секции.
В частном случае графитовый брусок предлагаемого испарителя может быть изготовлен из спектрально чистого графита.
Для повышения производительности осаждения кремний-германиевых структур на подложках повышенной площади графитовый брусок предлагаемого испарителя может быть оснащен средством его линейного возвратно-поступательного относительно подложки движения.
Для повышения стабильности нагрева предлагаемого резистивного испарителя в результате снижения нежелательного эксплуатационного изменения контактного сопротивления (появления нагаров в условиях высокой температуры нагрева) бруска этого испарителя в местах подвода электрического тока токоподводы графитового бруска предлагаемого испарителя могут быть выполнены в виде острых концов указанного бруска, контактирующих с поверхностями подводных проводников электрического тока.
На фиг. 1 схематически показан вид сбоку предлагаемого графитового резистивного испарителя; на фиг. 2 - расчетная кривая температурной зависимости давления атомарных паров кремния и германия, и на фиг. 3 - расчетная кривая температурной зависимости содержания кремния и германия в эпитаксиальном слое на подложке.
Предлагаемый графитовый резистивный испаритель для вакуумной эпитаксии кремний-германиевых структур (см. фиг. 1) выполнен в виде обеспечивающего одновременное образование сублимационных паров кремния и паров расплава германия графитового бруска 1 с изготовленной в нем продольной полой испарительной секцией 2, заполняемой в направлении вдоль нее чередующимся материалом 3 кремния, образующим при резистивном нагреве пары кремния, и материалом 4 германия, переходящим при резистивном нагреве графитового бруска 1 в фазу расплава, образующего пары расплава германия.
При этом токоподводы графитового бруска 1 предлагаемого испарителя выполнены в виде острых концов указанного бруска, контактирующих с поверхностями 5 подводных проводников электрического тока.
Причем брусок 1 изготовлен из спектрально чистого графита, который имеет высокую температуру плавления и не вступает в химическую реакцию с расплавом германия, обладающего низкой смачиваемостью с материалом испарительной секции 2 - графитом.
Работоспособность предлагаемого графитового резистивного испарителя при проведении вакуумной эпитаксии кремния и германия на оксиде кремния подтверждается следующим обоснованием.
На фиг. 2 представлена зависимость давления атомарных паров р (давление насыщенного пара, мм. рт.ст.) кремния (от источников сублимационных паров кремния - кремниевых фрагментов, распределенных между каплями расплава германия в полой испарительной секции 2) и расплава германия (каплями расплава германия, распределенными между кремниевыми фрагментами в полой испарительной секции 2) от температуры указанных паров Т (абсолютная температура, K), рассчитанная на основе известного соотношения между указанными параметрами:
где А и В - эмпирические константы кремния или германия в заданном температурном интервале (см. книгу авторов Бибик Е.Е. и др. «Новый справочник химика и технолога». Санкт-Петербург, НПО «Профессионал», 2006, с. 228).
При этом скорость осаждения кремния и германия пропорциональна давлению их паров.
В предлагаемом графитовом резистивном испарителе температуры нагрева кремниевых фрагментов и каплей расплава германия, чередующихся в продольной полой испарительной секции 2 графитового бруска 1 одинаковы, однако зависимости давлений паров от температуры для кремния и германия отличаются. Соответственно, будут отличаться отношения скоростей осаждения кремния и германия для разных температур. Таким образом, температуру можно использовать для управления составом растущего слоя.
При высокой температуре кремний и германий начинают интенсивно испаряться. Увеличивается давление паров кремния и расплава германия в области между предлагаемым резистивным испарителем и подложкой с поверхностным слоем оксида кремния (на фигурах не показана). Если скорость осаждения материала на подложку (скорость роста) пропорциональна давлению паров материала, то содержание материала в эпитаксиальном слое пропорционально относительной концентрации материала в парах испаряемых веществ.
Причем концентрацию германия в указанном слое можно оценить по формуле:
и кремния по формуле:
Ge
si
где p и p - давления паров германия и кремния, соответственно. Вывод формулы (2):
Ge
Ge
Si
Si
Абсолютное значение количества осажденного материала на подложку пропорционально парциальному давлению данного материала вблизи подложки. Т.е. количество осажденных атомов германия можно вычислить по формуле N=K*p, где K - эмпирический коэффициент. Аналогично для кремния N=K*p. Тогда, относительная концентрация германия будет вычисляться по формуле:
С учетом формул (1), (2) и (3) рассчитана зависимость содержания кремния и германия в эпитаксиальном слое в зависимости от температуры, которая на фиг. 3 представлена в графическом виде.
Поэтому, обеспечивается в более технологичном режиме (с помощью резистивного регулирования температуры) варьирование получаемых составов эпитаксиального слоя на подложке в более широком интервале получаемых составов с помощью предлагаемого резистивного испарителя в сравнении с резистивным испарителем -прототипом, в соответствии с которым регулируют концентрацию германия в получаемой эпитаксиальной кремний-германиевой структуре соответственно от 30 до 70% в зависимости от содержания германия в материале второй пластины (в интервале 4-8%).
Кроме того, если в качестве источника сублимационных паров кремния используется резистивно нагреваемый кремниевый брусок (резистивный испаритель - прототип), то максимальная температура нагрева под общие задачи практики эпитаксии должна быть ниже температуры плавления кремния, в противном случае кремниевый брусок расплавится и придет в негодность. Температура плавления кремния 1415°С. При этом кремниевый брусок вследствие наличия дефектов на поверхности может нагреваться не равномерно и частично расплавляться, в результате чего может локально измениться площадь сечения и, соответственно, локальная температура. В результате, кремниевый брусок может начать плавиться и прийти в негодность. Данный процесс сложно контролировать, т.к. максимальная температура испарителя всего не несколько десятков градусов меньше, чем температура плавления. Температура плавления графита превышает 2000°С, что гораздо выше максимальной используемой температуры. Использование графита на 100% исключает вероятность выхода источника из строя в связи с плохо контролируемой температурой. Кроме того, появляется возможность увеличить температуру, за счет чего увеличивается интенсивность испарения и, соответственно, скорость роста, а также увеличивается интервал получаемых составов.
Наконец, очевидно увеличение самого интервала получаемых составов, т.к. с помощью предлагаемого графитового резистивного испарителя можно получать эпитаксиальные слои на подложке чистого кремния или германия.