SU1705426A1 - Источник молекул рных пучков - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к тонкопленочной технологии, молекул рно-пучковой эпи- таксии (МПЭ), и может быть использовано в научных исследовани х, св занных с разработкой новых материалов и технологий дл  микроэлектроники.

Источник молекул рных пучков(ИМП)  вл етс  одним из основных узлов установки молекул рно-пучковой эпитаксии. Из него происходит эффузи  требуемого вещества дл  получени  полупроводниковых пленок. Качество получаемых полупроводниковых пленок во многом определ етс  концентрацией неконтролируемых примесей, испускаемых как самим источником, так и под его воздействием. Одним из путей, снижающим уровень этой концентрации  вл етс  снижение мощности, потребл емой ИМП, что в существенной мере определ етс  степенью термоизол ции ИМП. Термоизол ци  ИМП необходима еще и потому, что конструктивно ИМП проходит через криопанель, окружающую ростовой обьем,

Ближайшим из известных  вл етс  источник молекул рных пучков дл  установок молекул рно-пучковой эпитаксии, содержащий тигель из пиролитического нитрида бора , нагреватель и систему термоизол ции с охлаждаемым экраном. В указанной конструкции в качестве хладагента используетс  вода, котора  циркулирует по бифил рной трубке, навитой в виде спирали и размещенной между двум  металлическими цилиндрами . Введение жидкостноохлаждаемого экрана (помимо танталовых) момент  вл етс  наиболее эффективным способом экранировани .

Однако в известной конструкции площадь касани  трубкой, охлаждаемой водой, внутреннего цилиндра очень мала, поэтому дл  достаточно эффективного охлаждени  необходимо увеличивать поток проход щей воды, учитыва  малое сечение трубки, повышать давление воды в ней (пор дка 5 атм). Использование такого давлени  накладывает жесткие требовани  на саму трубку (прочЁ

ность, непроницаемость дл  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 дл  получени  нужной длины), и формирование в виде биспирали. Пространство между двум  цилиндрами, где размещена трубка,  вл етс  вакуумным карманом, который служит источником неконтролируемых примесей.

Цель изобретени  - повышение надежности работы источника и улучшение качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждени  и уменьшени  поверхности нагрева.

Указанна  цель достигаетс  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 дл  хладагента , теплоизолирующие экраны с одной стороны герметично соединены между собой , а с другой стороны приварены к цоколю , внутри которого находитс  коллектор дл  вывода хладагента, при этом концы трубок со стороны соединени  экранов между собой открыты, а с другой стороны соединены с коллектором.

Таким образом, в охлаждаемый экран вместо одной бифил рной трубки вводитс  несколько спирально-изогнутых трубок, размещенных между двум  металлическими цилиндрами, при этом пространство между этими цилиндрами  вл етс  герметичным по отношению к наружному пространству . Трубки размещаютс  между этими цилиндрами и с одной стороны вход т в цоколь, обрыва сь в выходном коллекторе , который размещен внутри цокол . Противоположные концы трубок  вл ютс  открытыми и оканчиваютс  вблизи соединени  экранов между собой. Кроме этого, в цоколе имеетс  патрубок дл  ввода хладагента . В предлагаемой конструкции хладагент циркулирует по всему пространству, заключенному между двум  металлическими цилиндрами (как в пространстве между трубками, так и по трубкам), полностью омыва  всю поверхность внутреннего цилиндра , на который падает тепловой поток от нагревател .

Предлагаема  конструкци  позвол ет увеличить поверхность, охлаждаемую хладагентом; уменьшить плотность потела тепловой энергии на поверхность криопанели, окружающей ростовой объем, что улучшит качество выращиваемых пленок; снизить требовани  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, попавша  в плоскость сечени ). В нижней части охлаждаемого экрана 4 имеетс  внутренн   полость А, служаща  дл  равномерного распределени  хладагента по периметру экрана. Поступа  через вход0 ной патрубок 6 хладагент поднимаетс , заполн   весь внутренний объем и дальше через открытые концы трубок 5 вытекает из охлаждаемого экрана 4 (направление течени  хладагента показано стрелками). Экран

5 4 выполнен в виде металлических цилиндров 7 и 8, присоединенных с одного торца к цоколю 9, а с другого - соедин ютс  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 наход тс  в полости Б.  вл ющейс  выходным коллектором. Патрубок 6 дл  ввода хладагента проходит насквозь через цоколь и оканчиваетс  в про5 странстве А в нижне части между цилиндрами 7 и 8. Пространство А служит дл  равномерного распределени  поступающего хладагента по окружности охлаждаемого экрана 4.

0 Источник работает следующим образом .

В тигель 1 загружаетс  требуемое вещество и ИМП размещаетс  в ростовой камере установки молекул рно-пучковой

5 эпитаксии (не показана). Тигель 1 нагреваетс  до требуемой температуры нагревателем 2, Поток тепла, проход щий через танталовые экраны 3, поглощаетс  охлаждаемым экраном 4. Хладагент поступает по

0 патрубку 6 в пространство А, поднимаетс  в пространстве между цилиндрами 7, 8 и трубками 5 и, омыва  нагреваемую поверхность цилиндра 8. нагреваетс . 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 подбираютс  таким образом, чтобы в сметеме существовал посто нный подпор хладагента . Расчет показывает, «-по охлаждени  источника, выдел ющего мощность 300 Вт, вполне достаточно перепада давлени  на входе и выходе не более 0/5 атм. при этом протекающа  вода нагреваетс  не бо лее, чем на 10°С.

При использор}ании предлагаемой конструкции повышаетс  надежность работы ИМП, так как дл  подачи хладагент а используетс  низкое давление (не более 0,5 а, м), и примен ютс  трубки без сварных швов (по оценке длина трубок пор дка 1 м). В предлагаемой конструкции источника, охлаждаемой непосредственно оказываетс  вс  поверхность внутреннего и внешнего цилиндров . Если прин ть, 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, охлаждаема  непосредственно хладагентом в изобретении оказываетс  в d раз больше, чем у прототипа (где d - диэ- метр трубки, выраженный в мм). Кроме этого , поверхность на которую падает поток энергии от нагревател , 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 обсто тельства привод т к резкому возрастанию эффективности теплосъема (не менее, чем в 2 d раза), т.е. отпадает необходимость в применении высокого давлени  дл  подачи хладагента.

Резкое возрастание эффективности теплосьема позвол ет использовать в качестве материала дл  металлических цилиндров не тантал, а значительно более дешевую нержавеющую сталь без ухудшени  вакуумных условий.

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

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

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

служить как примеси уже наход щиес  в испар емом веществе, так и примеси, содержащиес  в атмосфере остаточных газов. Величина эта  вл етс  неконтролируемой и зависит от многих факторов, в т.ч. от следующих причин: наличи  труднооткачиваемых объемов, так называемых вакуумных карманов ; материалов, из которых изготовлены детали ростового объема установки МПЭ; температуры, при которой наход тс  детали и узлы ростового объема.

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

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

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

(выше 10 ГГц).

Claims (1)

1. Формула изобретени  Источник молекул рных пучков дл  установок молекул рно-лучевой эпитаксии,

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

   с целью повышени  надежности работы источника и улучшени  качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждени  и уменьшени  поверхности нагрева , экраны герметично соединены между

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

   стороны выполнены открытыми.