Источник молекулярных пучков Советский патент 1992 года по МПК C30B23/08 

Изобретение относится к тонкопленочной технологии, молекулярно-пучковой эпи- таксии (МПЭ), и может быть использовано в научных исследованиях, связанных с разработкой новых материалов и технологий для микроэлектроники.

Источник молекулярных пучков(ИМП) является одним из основных узлов установки молекулярно-пучковой эпитаксии. Из него происходит эффузия требуемого вещества для получения полупроводниковых пленок. Качество получаемых полупроводниковых пленок во многом определяется концентрацией неконтролируемых примесей, испускаемых как самим источником, так и под его воздействием. Одним из путей, снижающим уровень этой концентрации является снижение мощности, потребляемой ИМП, что в существенной мере определяется степенью термоизоляции ИМП. Термоизоляция ИМП необходима еще и потому, что конструктивно ИМП проходит через криопанель, окружающую ростовой обьем,

Ближайшим из известных является источник молекулярных пучков для установок молекулярно-пучковой эпитаксии, содержащий тигель из пиролитического нитрида бора, нагреватель и систему термоизоляции с охлаждаемым экраном. В указанной конструкции в качестве хладагента используется вода, которая циркулирует по бифилярной трубке, навитой в виде спирали и размещенной между двумя металлическими цилиндрами. Введение жидкостноохлаждаемого экрана (помимо танталовых) момент является наиболее эффективным способом экранирования.

Однако в известной конструкции площадь касания трубкой, охлаждаемой водой, внутреннего цилиндра очень мала, поэтому для достаточно эффективного охлаждения необходимо увеличивать поток проходящей воды, учитывая малое сечение трубки, повышать давление воды в ней (порядка 5 атм). Использование такого давления накладывает жесткие требования на саму трубку (прочЁ

ность, непроницаемость для молекул воды). Кроме того, длина трубки лежит в пределах 6-10 м в зависимости от объема источника, что создает технологические сложности при ее изготовлении (сварка трубок для получения нужной длины), и формирование в виде биспирали. Пространство между двумя цилиндрами, где размещена трубка, является вакуумным карманом, который служит источником неконтролируемых примесей.

Цель изобретения - повышение надежности работы источника и улучшение качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева.

Указанная цель достигается тем, что в известном ИМП, содержащем тигель из пи- ролитического нитрида бора, нагреватель и два цилиндрических теплоизолирующих экрана, в пространстве между которыми расположены по спирали трубки для хладагента, теплоизолирующие экраны с одной стороны герметично соединены между собой, а с другой стороны приварены к цоколю, внутри которого находится коллектор для вывода хладагента, при этом концы трубок со стороны соединения экранов между собой открыты, а с другой стороны соединены с коллектором.

Таким образом, в охлаждаемый экран вместо одной бифилярной трубки вводится несколько спирально-изогнутых трубок, размещенных между двумя металлическими цилиндрами, при этом пространство между этими цилиндрами является герметичным по отношению к наружному пространству. Трубки размещаются между этими цилиндрами и с одной стороны входят в цоколь, обрываясь в выходном коллекторе, который размещен внутри цоколя. Противоположные концы трубок являются открытыми и оканчиваются вблизи соединения экранов между собой. Кроме этого, в цоколе имеется патрубок для ввода хладагента. В предлагаемой конструкции хладагент циркулирует по всему пространству, заключенному между двумя металлическими цилиндрами (как в пространстве между трубками, так и по трубкам), полностью омывая всю поверхность внутреннего цилиндра, на который падает тепловой поток от нагревателя.

Предлагаемая конструкция позволяет увеличить поверхность, охлаждаемую хладагентом; уменьшить плотность потела тепловой энергии на поверхность криопанели, окружающей ростовой объем, что улучшит качество выращиваемых пленок; снизить требования к вакуумной плотности трубок;

сократить длину трубки более, чем в 6 раз; устранить вакуумный карман; уменьшить общую поверхность в вакууме.

На фиг, 1 представлен источник, поперечное сечение; на фиг. 2 - аксонометрическое изображение.

Источник содержит тигель 1 из пироли- тического нитрида бора, вокруг которого ко- аксиально установлены нагреватель 2.

0 Тигель 1 и нагреватель 2 окружены системой тантатовых экранов 3. Все это вместе в свою очередь окружено охлаждаемым экраном 4, внутри которого размещают по спирали трубки 5 (на фиг. 1 показана только

5 одна, попавшая в плоскость сечения). В нижней части охлаждаемого экрана 4 имеется внутренняя полость А, служащая для равномерного распределения хладагента по периметру экрана. Поступая через вход0 ной патрубок 6 хладагент поднимается, заполняя весь внутренний объем и дальше через открытые концы трубок 5 вытекает из охлаждаемого экрана 4 (направление течения хладагента показано стрелками). Экран

5 4 выполнен в виде металлических цилиндров 7 и 8, присоединенных с одного торца к цоколю 9, а с другого - соединяются между собой. В пространстве между цилиндрами 7 и 8 размещены трубки 5. С одной стороны

0 трубки 5 соединены с цоколем 9, так, что открытые концы находятся в полости Б. являющейся выходным коллектором. Патрубок 6 для ввода хладагента проходит насквозь через цоколь и оканчивается в про5 странстве А в нижне части между цилиндрами 7 и 8. Пространство А служит для равномерного распределения поступающего хладагента по окружности охлаждаемого экрана 4.

0 Источник работает следующим образом.

В тигель 1 загружается требуемое вещество и ИМП размещается в ростовой камере установки молекулярно-пучковой

5 эпитаксии (не показана). Тигель 1 нагревается до требуемой температуры нагревателем 2, Поток тепла, проходящий через танталовые экраны 3, поглощается охлаждаемым экраном 4. Хладагент поступает по

0 патрубку 6 в пространство А, поднимается в пространстве между цилиндрами 7, 8 и трубками 5 и, омывая нагреваемую поверхность цилиндра 8. нагревается. Нагретый хладагент поступает в полость Б через от5 крытые концы трубок 6 в верхней части охлаждаемого экрана 4 и выходит оттуда наружу через выходной патрубок 10.

Сечение патрубка 6, суммарное сечение трубок 5 и сечение выходного патрубка 10 подбираются таким образом, чтобы в сметеме существовал постоянный подпор хладагента. Расчет показывает, «-по охлаждения источника, выделяющего мощность 300 Вт, вполне достаточно перепада давления на входе и выходе не более 0/5 атм. при этом протекающая вода нагревается не бо лее, чем на 10°С.

При использор}ании предлагаемой конструкции повышается надежность работы ИМП, так как для подачи хладагент а используется низкое давление (не более 0,5 а, м), и применяются трубки без сварных швов (по оценке длина трубок порядка 1 м). В предлагаемой конструкции источника, охлаждаемой непосредственно оказывается вся поверхность внутреннего и внешнего цилиндров. Если принять, что касание трубки с внутренним цилиндром у прототипа происходит по линии толщиной 1 мм (на самом деле гораздо меньше), iO тогда при плотной упаковке биспиральной трубки у прототипа площадь, охлаждаемая непосредственно хладагентом в изобретении оказывается в d раз больше, чем у прототипа (где d - диэ- метр трубки, выраженный в мм). Кроме этого, поверхность на которую падает поток энергии от нагревателя, отдалена от хладагента только толщиной внутреннего цилиндра, а у прототипа - толщиной внутреннего цилиндра плюс толшиной стенки трубки т.е. коэффициент теплопередачи у предлагаемого источника не менее, чем в 2 раза больше. Указанные обстоятельства приводят к резкому возрастанию эффективности теплосъема (не менее, чем в 2 d раза), т.е. отпадает необходимость в применении высокого давления для подачи хладагента.

Резкое возрастание эффективности теплосьема позволяет использовать в качестве материала для металлических цилиндров не тантал, а значительно более дешевую нержавеющую сталь без ухудшения вакуумных условий.

Использование охлаждаемого экрана резко снижает тепловую нагрузку на крио- панель ростовой камеры МПЭ, что приведет к значительному сокращению потребления жидкого азота (по оценке в 10 раз) на установке МПЭ.

Величина концентрации так называемой фоновой примеси полупроводниковых структур, получаемых с помощью МПЭ, определяет параметры приборов, изготавливаемых из этих структур. Так, например, снижение этой величины с 10 см до

10 см , достигнутое в поспеднее время. позволило увеличить верхний предел рабочих частот НЕМТ-транзисторов 10-100 ГГц. Источниками фоновой примеси могут

служить как примеси уже находящиеся в испаряемом веществе, так и примеси, содержащиеся в атмосфере остаточных газов. Величина эта является неконтролируемой и зависит от многих факторов, в т.ч. от следующих причин: наличия труднооткачиваемых объемов, так называемых вакуумных карманов ; материалов, из которых изготовлены детали ростового объема установки МПЭ; температуры, при которой находятся детали и узлы ростового объема.

Детали ИМП в процессе режима роста нагреваются до высоких температур (до 1500 К). Поэтому применение охлаждаемого экрана, герметичного по отношению к

ростовому объему, исключает наличие одного из источников неконтролируемых примесей ввиду отсутствия вакуумного кармана. Вследствие того, что в предлагаемом решении по крайней мере в d раз увеличивается поверхность, омываемая хладагентом, температура этой поверхности уменьшается, а значит, десорбация атомов и молекул с этой поверхности будет меньше, что также приведет к снижению общей

концентрации фоновой примеси и, как следствие, к возможности создания полупроводниковых структур с большей подвижностью носителей, а значит, рассчитанных на использование больших рабочих частот

(выше 10 ГГц).

Формула изобретения Источник молекулярных пучков для установок молекулярно-лучевой эпитаксии,

содержащий тигель из пиролитического нитрида бора, установленные коаксиально ему нагреватель и два экрана с размещенными между ними по спирали трубками для хладагента, отличающийся тем, что,

с целью повышения надежности работы источника и улучшения качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева, экраны герметично соединены между

собой с образованием полости, к которой присоединен патрубок для ввода хладагента снабжены коллектором для вывода хладагента, концы трубок с одной стороны соединены с этим коллектором, а с другой

стороны выполнены открытыми.

Изобретение относится к тонкопленочной технологии, может быть использовано в микроэлектронике и обеспечивает повышение надежности работы источника и улучшение качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева. Источник содержит тигель, установленный коаксиально нагреватель и два цилиндрических экрана. Экраны соединены герметично, а полость между ними соединена с патрубком для ввода хладагента. Между экранами по спирали размещены трубки, концы которых с одной стороны выполнены открытыми, а с другой соединены с коллектором для отвода хладагента. 2 ил.