Испарительный тигель

 

Изобретение относится к полупроводниковой области техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии для снижения плотности дефектов в эпитаксиальных структурах. Сущность изобретения: в испарительном тигле, содержащем объем для испаряемого вещества и закрепленный на его горловине сепарирующий элемент, сепарирующий элемент выполнен в виде вставки с винтовым каналом. Использование изобретения позволяет снизить вероятности попадания остаточных паров вакуумного объема в тигель молекулярного источника без значительного уменьшения проводимости тигля и значительно снизить плотность дефектов в эпитаксиальных структурах. Использование изобретения позволило снизить плотность дефектов в пленке теллурида кадмия с величины 2 10³ см^-2 до величины, меньшей чем 1 10² см^-2. 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой области техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии для снижения плотности дефектов в эпитаксиальных структурах.

При молекулярно лучевой-эпитаксии бинарных полупроводников и твердых растворов на их основе почти всегда элементы, входящие в состав выращиваемого соединения, распыляются из раздельных источников. В вакуумном объеме, где происходит эпитаксиальный рост, в состав остаточных паров всегда входят молекулы некоторых или всех элементов, распыляемых в объеме. Молекулы одного элемента могут попадать в источник другого элемента и образовать полупроводниковые соединения. Данный процесс наиболее интенсивно происходит в то время, когда источники разогреваются или остывают и непосредственно в момент роста. Очень часто температура в источнике ниже температуры разложения образовавшегося соединения, поэтому данное соединение будет накапливаться в виде мелких аморфных или поликристаллических кластеров, частичек, комочков, хлопьев и т.д. Во время роста полупроводникового соединения такие частички будут увлекаться потоком испаряемого вещества и попадать на подложку, вызывая тем самым образование дефектов в растущей пленке.

Частично данную проблему могут решить механические заслонки, которыми снабжаются молекулярные источники. В заявке Японии 1-278494 МПК C 30 B 23/08, H 01 L 21/203 представлен механизм источника молекулярного пучка. Источник молекулярного пучка содержит тигель, куда помещается исходный материал. Для получения молекулярного пучка материал в тигле нагревают в печи с помощью нагревателя. Источник пучка снабжен заслонкой, открывающей доступ молекулярного пучка в камеру или прерывающей пучок. Чтобы исключить налипание исходного материала из пучка на поверхность заслонки, в нее встроен нагреватель, обеспечивающий нагрев поверхности заслонки до температуры, превышающей температуру материала в тигле.

Недостатком данной конструкции является то, что механическая заслонка закрывает источник только в момент разогрева или остывания источника и открывает его непосредственно в момент роста, тем самым не препятствуя попаданию молекул другого элемента, переотраженных от нагретых элементов вакуумного объема, в молекулярный источник и образованию хлопьев.

Известен источник - патент Японии 59-251517 МПК C 30 B 23/08, C 23 C 14/24, H 01 L 21/203, в котором описан испарительный тигель. Тигель представляет собой цилиндрический стакан, в котором со стороны открытой части на внутренней стенке в направлении глубины выполнены выступы. Тигель снабжен съемными экранами с вырезами, сопрягающимися с выступами, и выпускными отверстиями для газа. Экраны установлены в полости цилиндрического стакана со стороны открытой его части. Отверстия в экранах расположены так, что отверстия соседних экранов не перекрываются между собой, тем самым предотвращая прямое попадание переотраженных молекул в источник и прямой выход содержимого источника в зону роста.

Основным недостатком такой конструкции является ее низкая проводимость. Известно, что проводимость отверстия прямо пропорциональна диаметру отверстия в квадрате, смотри Л.Н.Розанов. "Вакуумная техника". М.: Высшая школа, 1990, 320 с. Необходимое условие, что все отверстия двух ближайших пластин не перекрываются между собой, накладывает ограничение на диаметр отверстия и их количество на пластине. В предельном случае, когда на пластине имеется одно отверстие диаметром в два раза меньше чем диаметр тигля, система из трех таких пластин снижает проводимость в 12 раз. С увеличением количества отверстий на пластине и соответственно с еще большим уменьшением их диаметра проводимость всей системы будет уменьшаться еще в большее число раз. Кроме того, молекулярный поток, вытекающий из отверстия маленького диаметра, претерпевает адиабатическое расширение, переохлаждается и конденсируется на пластинах и стенках тигля.

Техническим результатом изобретения является снижение вероятности попадания остаточных паров вакуумного объема в тигель молекулярного источника без значительного уменьшения проводимости тигля.

Технический результат достигается тем, что в испарительном тигле, содержащем объем для испаряемого вещества и закрепленный на его горловине сепарирующий элемент, сепарирующий элемент выполнен в виде вставки с винтовым каналом.

Для реализации вышеизложенной задачи мы предлагаем использовать специальную вставку с винтовым каналом (шнек), помещаемую в полость тигля со стороны открытой его части. По форме такая вставка представляет собой спираль, внешний диаметр которой подбирается таковым, что вставка плотно вставляется в тигель. Вставка с винтовым каналом препятствует прямому пролету молекул из вакуумного объема в тигель и обратно, предотвращая образование химических соединений в тигле молекулярного источника.

На фиг. 1 представлен вид тигля со вставкой с винтовым каналом, где 1 - вставка с винтовым каналом, 2 - крепежные уши, 3 - тигель молекулярного источника. Уши 2 не позволяют провалиться вставке 1 в тигель 3 и фиксируют ее в определенном положении.

Для получения молекулярного пучка испарительный тигель помещают в молекулярный источник. Нагреватель молекулярного источника нагревает горловину тигля 3 вместе со вставкой 1 до температуры выше температуры разложения полупроводниковых соединений, получаемых в данном вакуумном объеме. Объем вакуумной установки, в которой происходит рост полупроводникового соединения, много больше объема отдельного тигля молекулярного источника, а давление остаточных паров в вакуумной установке на несколько порядков меньше давления паров вещества, загруженного в источник. Поэтому молекулы остаточных паров элементов, распыляемых в объеме, отражаясь от поверхности вставки, не попадают в тигель молекулярного источника, а молекулы испаряемого вещества после нескольких отражений от стенок тигля и от поверхности вставки вылетают из тигля молекулярного источника. Даже если молекулы остаточной атмосферы вакуумного объема попадут в тигель и образуют в нем хлопья химических соединений, то такие хлопья не смогут вылететь из тигля, так как они осядут на поверхности вставки с винтовым каналом.

Не существует каких-либо принципиальных ограничений на толщину лопастей вставки с винтовым каналом. Лопасти и крепежные уши вставки с винтовым каналом могут быть какими угодно тонкими, лишь бы конструкция не теряла своей жесткости. Поэтому можно считать, что толщина лопастей и крепежных ушей много меньше диаметра тигля, и что вставка не уменьшает проходного диаметра тигля, а только увеличивает эффективную длину пролета молекул. Известно, что проводимость паропровода обратно пропорциональна его длине, смотри Л.Н.Розанов. "Вакуумная техника". М.: Высшая школа, 1990, 320 с. Для вставки с винтовым каналом с двумя витками эффективная длина увеличивается в три раза, и значит вставка с винтовым каналом уменьшает проводимость тигля тоже в три раза.

Вставка с винтовым каналом была испытана на установке МЛЭ "Обь" в камере выращивания твердых растворов CdZnTe. Применение вставки во всех молекулярных источниках позволило снизить плотность дефектов в пленке теллурида кадмия с величины 2 10³ см^-2 до величины, меньшей чем 1 10² см^-2. Было также изучено влияние вставки с винтовым каналом на диаграмму направленности молекулярного источника. На фиг. 2 представлено распределение толщины пленки теллура по поверхности стеклянной пластины, помещенной на место подложки в камере МЛЭ. Напыление теллура производилось при комнатной температуре, средняя толщина пленки составляет 1000 ангстрем, распределение толщины определялось по поглощению лазерного луча. Кривая 4 - распределение теллура из источника без вставки, кривая 5 - распределение теллура из источника со вставкой. Из данных, представленных на фиг. 2, видно, что вставка с винтовым каналом существенным образом не влияет на диаграмму направленности молекулярного источника.

Формула изобретения

Испарительный тигель, содержащий объем для испаряемого вещества, на горловине которого закреплен сепарирующий элемент, отличающийся тем, что сепарирующий элемент выполнен в виде вставки с винтовым каналом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2