ИСТОЧНИК АТОМАРНОГО ВОДОРОДА ДЛЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/203 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) как для предэпитаксиальной подготовки подложек (очистка поверхности от кислорода, углерода и других загрязнений), так и в процессе выращивания тех или иных слоев.

Известны источники гидридов мышьяка и фосфора с разложением молекул (Заявка Японии N 1 - 224295, МПК C 30 B 23/08), состоящие из системы трубок для подвода газов, рабочей трубки источника, содержащей секции смешения арсина и фосфина, подогрева газовой смеси и секцию термического разложения молекул, нагреватель секции подогрева, нагреватель секции разложения, расположенные снаружи рабочей трубки, а также диафрагмы, помещенные внутрь секции разложения. Газы (арсин и фосфин) подаются в источник в заданной пропорции, смешиваются в секции смешения, подогреваются, протекая через секцию предварительного подогрева и в секции разложения нагреваются до температуры термического разложения молекул. Для повышения эффективности разложения в трубку в области разложения введены диафрагмы, которые, будучи нагреты, обеспечивают разложение молекул газа при соударениях последних с этими диафрагмами.

Такая конструкция практически неприменима для разложения молекул водорода. Нагреватели, в том числе нагреватель секции разложения, расположены снаружи рабочей трубки источника. Для разложения молекул водорода на атомы стенки рабочей трубки и введенные в нее диафрагмы должны быть нагреты выше 2000^oC. Следовательно, температура нагревателя должна быть еще более высокой. Рабочую трубку и диафрагмы в этом случае необходимо изготавливать из вольфрама. В этом случае нагреватель должен быть изолирован электрически от рабочей трубки с помощью высокотемпературной керамики (например, бериллиевой). Использование керамики создает ряд проблем. Во-первых, система, содержащая керамику, требует длительного и тщательного обезгаживания, а, в противном случае, не позволяет получать чистые газы на выходе из источника. Во-вторых, поверхность нагретых тел в таком источнике неоправданно велика: это суммарная поверхность рабочей трубки, диафрагм и керамических изоляторов. Все это приводит к большим потерям на излучение и, следовательно, создает высокую тепловую нагрузку на установку, в которой применяется такой источник. Наконец, в-третьих, рабочая температура бериллиевой керамики не должна превышать 2000^oC, следовательно, рабочая трубка и диафрагмы в ней будут иметь более низкую температуру, что обусловит низкую степень разложения пучка молекул водорода.

Известен также источник атомарного водорода (патент США N 5693173, МПК C 23 C 14/00), содержащий тело источника, включающее в себя две концентрические трубы, средства подачи в источник газа, соединенные с внутренней трубой, расщепитель, служащий для термического разложения молекул газа, средства, обеспечивающие подведение электрического питания к расщепителю.

Внутри внутренней трубы расположен проводник тока, выполненный в виде вольфрамового стержня, на конце которого смонтирована резистивная высокотемпературная вольфрамовая нить, свитая в спираль, служащая для разложения (расщепления) молекул водорода на атомы. Второй конец спирали соединен электрически с внешней трубкой посредством специального элемента в форме диска с отверстиями. Газ протекает по внутренней трубке, на ее выходном конце обтекает нагретую спираль, при этом молекулы газа, сталкиваясь с витками нагретой спирали, расщепляются на атомы. Электрическими контактами, обеспечивающими подачу электропитания к расщепителю, являются вольфрамовый стержень и внешняя труба.

Данной конструкции присущи следующие недостатки.

Во-первых, малое сечение взаимодействия проволоки - расщепителя (далее - расщепителя) и молекул газа. Как бы тесно ни была навита спираль, значительная доля молекул газа пройдет сквозь нее, не столкнувшись ни с одним из витков спирали.

Во-вторых, наличие теплоотвода от выходного относительно потока газа конца расщепителя через электрический контакт. Это приводит к тому, что на выходе из расщепителя находится участок с более низкой температурой, на котором возможна обратная рекомбинация части уже расщепленных атомов. Чтобы предотвратить рекомбинацию атомов водорода на этом конце спирали необходимо избыточно нагревать остальную спираль.

В-третьих, стенки трубки-газопровода, внутри которой расположен расщепитель, имеют более низкую, чем расщепитель, температуру. При столкновении с ними также может происходить рекомбинация атомов водорода, что снижает эффективность расщепления.

Все это снижает эффективность устройства и приводит к избыточной тепловой нагрузке на камеру установки МЛЭ.

Техническим результатом изобретения является:
- повышение эффективности взаимодействия потока газа с расщепителем;
- исключение участка с пониженной температурой на выходном конце расщепителя;
- исключение столкновений молекул газа с элементами, имеющими более низкую температуру, чем расщепитель.

Технический результат достигается тем, что в источнике атомарного водорода, в котором тело источника содержит две концентрические трубы, из которых одна является внутренней, а другая внешней, средства подачи в источник газа, соединенные с внутренней трубой, расщепитель, служащий для термического разложения молекул газа, средства, обеспечивающие подведение электрического питания к этому расщепителю, расщепитель выполнен из очень тонкой вольфрамовой фольги (чем тоньше фольга, тем меньше ток, необходимый для нагрева расщепителя до рабочей температуры). Такой расщепитель имеет входной и выходной концы. Со стороны входного конца он имеет форму трубки, входной конец которой вставлен в специальную втулку и вместе с этой втулкой надет на наконечник внутренней трубы (газопровода), обеспечивающий подачу газа в расщепитель. Выходные концы полос, изогнутых в виде петель, так что полосы продолжаются с внешней стороны трубки-расщепителя назад, в сторону входного ее конца, вблизи которого они и соединяются с той из двух концентрических труб, которая является внешней. При этом внутренняя и внешняя концентрические трубы являются электрическими контактами, обеспечивающими подвод электропитания к расщепителю.

Кроме того, в источнике атомарного водорода для МЛЭ расщепитель выполняют из двух полос тонкой вольфрамовой фольги, одна часть которых отформована в виде полуцилиндров, сложенных вместе так, что они составляют две половинки трубки, надетой своим входным концом на наконечник внутренней трубы, и закреплены на нем; другая часть представляет собой входной конец расщепителя в виде двух полос, изогнутых в форме петель в сторону входного конца и продолженных вдоль трубкообразной части расщепителя с наружной стороны.

Применение в источнике винтообразного элемента, представляющего собой полоску вольфрамовой фольги, скрученную в спираль, позволяет увеличить частоту столкновений молекул газа со стенками трубкообразной части расщепителя.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами, где на фиг. 1 показана предлагаемая конструкция источника атомарного водорода, на фиг. 2 показан расщепитель молекул водорода, на фиг. 3 показан вариант конструкции расщепителя, на фиг. 4 показаны отдельно винтообразный элемент и наконечник со вставленным в него винтообразным элементом.

На фиг. 1-5 изображены:
1 - расщепитель,
2 - входной конец расщепителя,
3 - выходной конец расщепителя,
4 - трубкообразная часть расщепителя,
5 - две полосы, на которые разделяется выходная часть расщепителя;
элементы 2-5 являются составными частями расщепителя;
6 - внутренняя труба, подводящая к расщепителю водород,
7 - внешняя труба,
внутренняя и внешняя трубы (6), (7) составляют тело источника;
8 - наконечник трубопровода (6),
9 - втулка,
10 - втулка,
11 - втулка,
внутренняя труба (6) с наконечником (8), внешняя труба (7) и втулки (9-11) являются средствами подвода электропитания к расщепителю (1);
12 - керамическая втулка,
13 - кольцо,
14 - винты,
15 - винтообразный элемент (может отсутствовать),
16 - экран с диафрагмой.

Средства подачи в источник газа, соединенные с внутренней трубой, на фигурах не показаны, так как являются стандартными элементами любых газовых источников.

Расщепитель (1), служащий для термического разложения молекул водорода на атомы, выполнен из тонкой вольфрамовой фольги. Он имеет трубкообразную часть (4), входной и выходной концы (2 и 3, соответственно). Входной конец трубкообразной части служит входным концом расщепителя (2). Он надет на наконечник (8) подводящего к расщепителю водород трубопровода (6) и плотно прижат к нему специальной втулкой (9). Выходной конец расщепителя (3) разделен на две полосы (5), которые изогнуты в виде петель в сторону входного конца, продолжены вдоль трубкообразной части расщепителя вне последней и зажаты между внешней конической поверхностью втулки (10) и внутренней конической поверхностью втулки (11). При этом кольцо (13), производя давление на выступ втулки (10), передает усилие через керамическую втулку (12) втулке (9), плотно прижимая, таким образом, входной конец (2) расщепителя к наконечнику (7).

Внутренняя труба (6) с наконечником (8) и втулкой (9), а также втулки (10, 11), соединенные с внешней трубой (7) с помощью винтов (14) и кольца (13), служат средствами, обеспечивающими подведение электропитания к расщепителю. Керамическая втулка (12) служит для изоляции средств подачи электропитания друг от друга.

Внешние части расщепителя (5), изогнутые в виде петель в сторону выходного конца, не только позволяют исключить пониженную температуру выходного конца (3) расщепителя по сравнению с его остальной частью, но и обеспечивают его дополнительный нагрев.

Экран с диафрагмой (16) служит для снижения излучательных потерь энергии, а также для уменьшения засветки обрабатываемой подложки излучением расщепителя.

Средства подачи в источник газа на чертежах не показаны.

Винтообразный элемент (15), будучи вставлен в наконечник (8) трубопровода (7), служит для расширения пучка молекул водорода, выходящего из трубопровода через наконечник в расщепитель. В результате увеличивается доля молекул, входящих в расщепитель под большими углами к его оси, и вследствие этого увеличивается число столкновений, протекающих через расщепитель молекул с его стенками. Наконечник и винтообразный элемент показаны отдельно на фиг. 4.

На фиг. 3 показано, что расщепитель (1) описанной выше формы, имеющий трубкообразную часть и выходной конец, разделяющийся на две полосы, может быть выполнен из двух полос тонкой вольфрамовой фольги. Со стороны входного (2) конца полосы отформованы в виде двух половин цилиндра, которые, будучи сложены вместе, образуют трубкообразную часть (4). Обе половины трубкообразной части, сложенные вместе, вставлены входным концом во втулку (9) и вместе с ней надеты на наконечник (8) (не показаны на фиг. 3). Выходной конец расщепителя разделен на две полосы (5), которые изогнуты в виде петель в сторону входного конца и продолжены вдоль трубкообразной части расщепителя вне последней, как это описано выше и показано на фиг. 1, 2.

Источник работает следующим образом. Электрический ток протекает по внутренней трубе (6), расщепителю (1), внешней трубе (7) и нагревает при этом расщепитель до температуры свыше 2000^oC. Водород, поступающий в источник через средства подачи в источник газа, протекая через внутреннюю трубу, подается в расщепитель. Молекулы водорода, выходя из наконечника (8) внутренней трубы (6) в расщепитель (1), сталкиваются с нагретыми стенками трубкообразной части расщепителя (4) и разлагаются на атомы. Пучок атомов водорода вместе с некоторым количеством неразложившихся на атомы молекул выводится в камеру установки МЛЭ, направляясь на поверхность обрабатываемой пластины.

В данном источнике применение трубкообразного расщепителя с выходным концом, разделенным на две полосы, изогнутые в виде петель, дает следующие преимущества.

Во-первых, увеличивается сечение взаимодействия молекул водорода с нагретым расщепителем, так как поток молекул водорода течет не вблизи нагретой спирали, а проходит через трубку с нагретыми стенками. Тем самым, увеличивается доля молекул водорода, которая может быть разложена на атомы при заданной температуре расщепителя, а также может быть снижена температура расщепителя, позволяющая получить заданную долю разложенных молекул.

Во-вторых, исключается наличие участка с пониженной температурой на выходном конце расщепителя, так как выходной конец не непосредственно соединен с соответствующим электрическим контактом, а разделен на две изогнутые полосы. Эти полосы идут вдоль трубкообразной части расщепителя (см. чертежи и их описание выше). Поэтому выходной конец расщепителя не только не имеет пониженной температуры, но, напротив, дополнительно подогревается этими полосами.

В-третьих, исключаются столкновения молекул и атомов (продуктов расщепления) газа с более холодными стенками трубки-газопровода в области расщепителя, так как расщепитель сам является продолжением трубки-газопровода. В результате повышается эффективность расщепления молекул водорода на атомы. Это позволяет снизить подводимую к источнику электрическую мощность и, как следствие, уменьшить тепловую нагрузку на камеру установки МЛЭ.

Использование: полупроводниковая техника, в молекулярно-лучевой эпитаксии для предэпитаксиальной подготовки подложек, а также в процессе выращивания эпитаксиальных слоев. Сущность изобретения: источник атомарного водорода содержит две концентрические трубы, средства подачи в источник газа, соединенные с внутренней трубой, расщепитель, служащий для термического разложения молекул газа, средства, обеспечивающие подведение электрического питания к этому расщепителю. Расщепитель выполнен из тонкой вольфрамовой фольги. Со стороны входного конца он имеет форму трубки, входной конец которой надет на наконечник внутренней трубы. Выходные концы полос, изогнутых в виде петель, продолжаются с внешней стороны трубки-расщепителя в сторону входного ее конца и соединяются с внешней трубой. Внутренняя и внешняя концентрические трубы являются электрическими контактами, обеспечивающими подвод электропитания к расщепителю. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности взаимодействия потока газа с расщепителем, исключение участка с пониженной температурой на выходном конце расщепителя и исключение столкновений молекул газа с элементами, имеющими более низкую температуру, чем расщепитель. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Источник атомарного водорода для молекулярно-лучевой эпитаксии, включающий в себя тело источника, содержащее две концентрические трубы, внутреннюю и внешнюю, средства подачи в источник газа, соединенные с внутренней трубой, расщепитель и средства, обеспечивающие подведение электрического питания к расщепителю, отличающийся тем, что расщепитель, выполненный из вольфрама, имеет трубкообразную тонкостенную часть, входной и выходной концы, причем входной конец надет на наконечник внутренней трубы и закреплен на нем, а выходной конец разделен на две полосы той же толщины, что и стенки трубкообразной части, которые изогнуты в виде петель в сторону входного конца и продолжены вдоль трубкообразной части расщепителя с наружной стороны, при этом внутренняя труба с наконечником и внешняя труба обеспечивают подвод электропитания к расщепителю. 2. Источник атомарного водорода по п.1, отличающийся тем, что расщепитель выполнен из двух полос тонкой вольфрамовой фольги, одна часть которых отформована в виде полуцилиндров, сложенных вместе так, что они составляют две половинки трубки, надетой своим входным концом на наконечник внутренней трубы и закреплены на нем, другая часть представляет собой выходной конец расщепителя в виде двух полос, изогнутых в виде петель в сторону входного конца и продолженных вдоль трубкообразной части расщепителя с наружной стороны. 3. Источник атомарного водорода по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в наконечнике внутреннего трубопровода установлен винтообразный элемент, выполненный из скрученной в спираль полоски вольфрамовой фольги.