Вакуумная микроразмерная кристаллизационная ячейка

Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой технологии и может быть использована для осаждения слоев и структур различных веществ из молекулярных потоков, включая получение эпитаксиальных нано- и микрослоев и полупроводниковых гетероструктур.
Из существующего уровня техники известен метод получения слоев и структур конденсацией вещества, предварительно испаренного в вакуум (так называемое термическое вакуумное напыление). Для реализации этого метода используются разнообразные источники паров вещества (аналоги данной полезной модели) (Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майсееля, Р. Глэнга. - М.: Сов. радио, 1977. - Т. 1, с. 82-87).
Эти источники молекулярных потоков многообразны по своим конструкционным особенностям, используемым в их конструкции материалам и технологическим возможностям. Их объединяет одно главное свойство. Источники располагаются от подложек на расстоянии, которое значительно превышает характерные размеры источников. В типичных условиях реализации метода такие источники можно приближенно считать точечными испарителями. Эта особенность рассматриваемых источников обеспечивает возможность с их помощью получать однородные по толщине слои. Однако эта же особенность - причина основного недостатка указанных источников. Точечный испаритель создает молекулярный поток в широком телесном угле, и лишь небольшая часть всего испаряемого вещества попадает на подложку. Низким оказывается и коэффициент переноса примесей с малыми коэффициентами конденсации, к которым относятся, например, донорные и акцепторные примеси в полупроводниках. Кроме того, неэффективное использование при этом большей части испаряемого вещества ведет к быстрому загрязнению внутрикамерной оснастки. Важно также, что доля перенесенного на подложку ростового материала уменьшается с увеличением диаметра подложки D. Таким образом, возможности рассматриваемых методов вступают в противоречие с общей тенденцией перехода в полупроводниковой технологии к использованию пластин все большего диаметра.
Наиболее близким к заявленному решению является метод получения слоев вещества (прототип представленной полезной модели), в котором сублимирующийся источник не является точечным - метод зонной сублимационной перекристаллизации - ЗСП (Aleksandrov L.N., Lozovskii S.V., Knyazev S.Y. Silicon Zone Sublimation Regrowth // Phys. Stat. Sol. (a), 1988. - V. 107., P. 213-223.). В прототипе в качестве источника используется сплошная пластина, расположенная от аналогичной пластины-подложки на столь малом расстоянии l, что выполняются условия
0
где λ - средняя длина свободного пробега атомов паров и остаточных газов при их концентрациях и давлении, определяемых условиями в рабочей камере и в вакуумном промежутке между пластинами.
Температура источника Т превышает температуру Ts подложки на величину ΔТ. Расположенный так сплошной источник позволяет решить проблему повышения эффективности использования ростового вещества, испаряющегося с поверхности источника (теоретически до 100%), и увеличить до единицы коэффициент переноса примеси с малыми коэффициентами конденсации. Кроме того, при ЗСП ограничен процесс натекания остаточных газов в ростовую зону (благодаря малому значению l) и возникает эффект непрерывной сорбционной очистки ростовой зоны от фоновых примесей (Lozovskii, V.N., Lozovskii, S.V., Valov, G.V. Sorption vacuumization of a growth cell during zone sublimation recrystallization // Technical Physics Letters, 2013, Vol. 39, №2, P. 175-178). В итоге давление остаточных газов в ростовой зоне оказывается на несколько порядков ниже, чем в технологической камере. Эффективность использования вещества источника и эффект защиты от фоновых примесей ростовой зоны увеличиваются при уменьшении параметра l/D, т.е. при увеличении диаметра используемых пластин.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности нагрева источника ростового вещества выше температуры его плавления. Это значительно снижает верхний температурный предел процесса ЗСП и соответственно максимально возможную скорость напыления слоев. Для некоторых веществ, имеющих в твердом состоянии чрезвычайно низкое давление сублимирующих паров, скорости напыления оказываются настолько низкими, что метод ЗСП для них вообще неприменим. К указанным веществам относятся Al, Au, Bi, Ge, Те и другие важные для полупроводниковой технологии материалы (всего их 14).
Техническим результатом настоящей полезной модели является преодоление указанного ограничения прототипа, заключающегося в невозможности производить нагрев ростового вещества выше температуры его плавления. Этим достигается увеличение числа материалов, используемых для получения островковых структур и слоев, а также повышение максимальной скорости их осаждения.
На рис. 1 представлена микроразмерная кристаллизационная ячейка, состоящая из сплошного твердого источника 1, выполненного в виде пластины-подложки 2. Пока пластина-источник остается твердой горизонтальность ее расположения не требуется. При переходе указанной пластины в жидкое состояние возникает несовместимое с основным условием реализации метода ЗСП (l<<D) требование к точности горизонтального расположения пластины. Так, для сэндвичей диаметром D≥100 мм и толщиной вакуумной зоны l≈0,1 мм допустимый угол отклонения исходной ориентации поверхности пластины-источника от поверхности образовавшегося из нее горизонтального жидкого слоя 3 (рис. 1) не должен превышать нескольких угловых минут. В противном случае возникает «слипание» источника и подложки (даже без учета механических вибраций технологической установки и капиллярных эффектов в жидкой фазе). Рассматриваемое «слипание» - результат превращения плоскопараллельного вакуумного промежутка (рис. 1) в клиновидный с утонением этого промежутка с одного края до нуля.
Если разделить жидкий слой источника на N изолированных участков (по горизонтали), то общее искажение толщины вакуумной зоны l проявится как совокупность N отдельных, меньших в N раз, технологически приемлемых искажений. В итоге сплошной (обязательно твердый) источник трансформируется в дискретный, для которого допустим переход в жидкое состояние. Описанный эффект положен в основу представленной полезной модели. В предлагаемой полезной модели указанные выше отдельные участки могут иметь различные планарные размеры, форму и взаимное расположение. В данном описании представлен ее оптимальный вариант (рис. 2). Детали устройства, использовавшегося в работе, представлены на рис. 2.
Из рис. 2 видно, что источник паров (обведен пунктиром) является составным (дискретным), состоящим из несущей пластины 6 с низким давлением собственных паров и локальных жидких испарителей ростового вещества 5, расположенных на рабочей поверхности пластины в определенном порядке (рис. 3). Каждый из локальных испарителей должен быть достаточно малым, чтобы при переходе источника в жидкое состояние практически не нарушалась плоскопараллельность вакуумного зазора l между источником и подложкой (при случайных отклонениях ростовой композиции от горизонтального положения). Дискретный источник диаметром, равным или более D (см. рис. 2), располагают параллельно подложке 2 на таком расстоянии l от нее, чтобы выполнялось условие микроразмерности, то есть l/D<<1. Этим обеспечивается наличие всех преимуществ метода получения слоев в условиях микроразмерной кристаллизационной ячейки.
кр
Толщина d слоев 7 (см. рис. 2), осаждаемых из системы локальных испарителей, не одинакова, она модулирована с шагом, определяемым расположением испарителей на пластине-источнике. Эта неоднородность практически устраняется, если толщина вакуумного промежутка l превышает некоторое критическое значение l, т.е. выполняется условие
кр
При этом, однако, условие (1) должно сохраняться. Условие (2) может быть согласовано с условием (1) для подложек большого диаметра D>50 мм), так как l≈1-2 мм.
кр
min
max.
кр
Значение l, которое зависит от радиуса локальных испарителей r и расстояния между ними h, определяется расчетным путем и уточняется экспериментально для каждого источника при заданном допуске по уровню неоднородности δ=1-d/d Например, для гексагональной сетки круглых локальных испарителей (рис. 3) с r=0,75 мм и h=0,5 мм имеем l=1,2 мм, если δ=0,03.