тигель из нитрида бора и способ его получения

Формула изобретения

1. Тигель из нитрида бора, имеющий закрытый конец, открытый конец, длину, проходящую от открытого конца к закрытому концу, внутреннюю и наружную поверхности, отличающийся тем, что по крайней мере часть наружной поверхности тигеля имеет двуслойное покрытие, содержащее нижележащий слой пиролитического графита и верхний слой пиролитического нитрида бора, полностью перекрывающий нижележащий слой.

2. Тигель по п.1, отличающийся тем, что двуслойное покрытие проходит по наружной поверхности от открытого конца тигля на длину 10 80% длины тигля.

3. Способ получения тигля из нитрида бора, имеющего открытый конец, включающий подготовку матрицы, имеющей форму, соответствующую форме получаемого тигля, осаждение на нее нитрида бора до получения слоя нитрида бора заданной толщины и удаление матрицы тигля из нитрида бора, отличающийся тем, что после осаждения слоя нитрида бора проводят осаждение пиролитического графита на выбранный участок поверхности до получения слоя пирографита заданной толщины и на него наносят верхний слой пиролитического нитрида бора.

4. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что выбранный участок поверхности составляет 10 80% длины тигля.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что выбранный участок поверхности начинается вблизи открытого конца тигля.

6. Способ по пп.3 и 5, отличающийся тем, что толщина слоя пиролитического графита составляет от 2,54 10^-2 до 2,54 мм, а толщина верхнего слоя пиролитического нитрида бора составляет от 5,08 10^-2 до 1,016 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к усовершенствованному тиглю из нитрида бора, предназначенному для использования в областях, связанных с нанесением на субстраты эпитаксиальных слоев различных элементов или соединений и отличающемуся тем, что по меньшей мере часть его внешней поверхности имеет покрытие, нижний слой которого состоит из пиролитического графита, а верхний из нитрида бора, что позволяет эффективно предотвращать возникновение на тигле зон с нежелательно низкой температурой. Изобретение также относится к способу производства тигля.

Структура, физические свойства, чистота и химическая инертность пиролитического нитрида бора, PBN, делают его привлекательным материалом для изготовления контейнеров, предназначенных для элементной очистки, компаундирования и выращивания полупроводниковых кристаллов. Примерами являются контейнеры для выращивания монокристаллов GaAs и других III-V и II-VI соединений методом Чохральского с жидкостным капсулированием и вертикального градиентного замораживания, а также источниковые контейнеры для покрытия металлами и легирующими веществами при высоких температурах в ультраглубоком вакууме посредством эпитаксии из молекулярных пучков (МВЕ). Оборудование для эпитаксии из молекулярных пучков представляет собой вакуумную печь, в которой полупроводниковые субстраты покрывают эпитаксиальными слоями различных элементов или соединений алюминия, галлия, мышьяка, индия и других посредством испарения этих элементов или соединений, содержащихся в тигле из пиролитического нитрида бора.

В процессе осуществления традиционного процесса эпитаксии из молекулярного пучка в структуре эпитаксиального слоя могут возникнуть дефекты. Существует множество причин таких дефектов, одной из них является конденсация на относительно холодной внутренней стенке тигля, обычно прилегающей к его открытому концу, что приводит к падению капель в расплав. Это в свою очередь может стать причиной возникновения дефектных овальных горизонтальных поверхностей, что приводит к серьезному ограничению производительности интегрированного контура, достижимой на пластинах для эпитаксии из молекулярных пучков. Овальные дефекты представляют собой поверхностные дислокации, ориентированные по <110> кристаллографическим направлениям.

Одной из трудностей, влияющей на качество откладывающихся из паровой фазы эпитаксиальных слоев, является обеспечение точного контроля за одновременностью температуры или температурного профиля нагреваемых извне тиглей.

Для корректировки неоднородности температурного профиля нагреваемых извне тиглей было предложено наносить покрытие из пиролитического графита на внешнюю поверхность тигля, прилегающую к его открытому концу [1,2] Пиролитический графит представляет собой анизотропный материал, обладающий теплопроводностью в 700 Вт/м^оС в плоскости аb и 3,5 Вт/м^оС в направлении, перпендикулярном плоскости аb. Благодаря этому предложению было найдено решение, позволяющее уменьшить трудности, связанные с тем, что часть тигля, обычно прилегающая к его открытому концу, оказывалась относительно более холодной, чем его остальная часть. Кроме того, в связи с тем, что тигель обычно нагревают с помощью внешних электронагревательных средств, а пиролитический графит является электропроводящим, существует вероятность того, что средства нагревания будут контактировать с покрытием из пиролитического графита, вызывая короткое замыкание.

Пиролитический нитрид бора можно получить различными способами, например по способу [3] по которому пиролитический нитрид бора получают посредством взаимодействия аммиака и галидов бора, таких как трихлориды бора, в паровой фазе. Путем отложения нитрида бора, полученного таким способом на соответствующую матрицу, например графитовую, можно получать большее количество изделий различных форм.

Целью изобретения является создание усовершенствованного тигля, предназначенного для нагревания извне и имеющего более однородный или регулируемый температурный профиль.

Другой целью изобретения является создание усовершенствованного тигля, предназначенного для использования при эпитаксии из молекулярного пучка.

Целью изобретения является также обеспечение способа получения усовершенствованного тигля, нагреваемого извне и имеющего более однородный или регулируемый температурный профиль.

Изобретение относится к способу получения тигля из нитрида бора, включающему следующие стадии:

а) подготовка матрицы, имеющей форму требующегося тигля с открытым концом, и осаждение нитрида бора на указанную матрицу до достижения желаемый толщины слоя нитрида бора;

б) отложение графита на тигель с нанесением на него нитридом бора на выбранных участках его внешней поверхности до достижения желаемой толщины слоя графита на этих участках;

в) осаждение нитрида бора на указанный нанесенный графит до достижения желаемой толщины слоя нитрида бора;

г) удаление из матрицы тигля из нитрида бора, имеющего закрытый и открытый концы, внутреннюю и внешнюю поверхности, и отличающегося тем, что по меньшей мере часть внешней поверхности предпочтительно вблизи открытого конца тигля имеет нижний слой из пиролитического нитрида бора.

Если требуется, то на стадии (б) область тигля, которая не подлежит покрытию графитом, может быть защищена традиционным способом с тем, чтобы отложение графита и нитрида бора происходило на определенных участках. Если тигель не был защищен, то отложения графита и нитрида бора с неподлежащих покрытию областей могут быть удалены традиционными методами, например, с помощью механической и абразивной обработки.

Обычно нанесенное двуслойное покрытие простирается по внешней поверхности от открытого конца тигля по всей его длине в зависимости от сферы его конечного применения. Предпочтительно, чтобы тигель по меньшей мере на 10% длины имел двуслойное покрытие. Для тигля любой длины протяженность двуслойного покрытия в предпочтительном варианте может составлять примерно 10-80% от общей длины тигля.

В данном тексте под термином тигель может также подниматься желобок или любой другой контейнер, который применяется в данной области.

При нагревании тигля из пиролитического нитрида бора до высоких температур порядка 900^оС с помощью внешних резистентных нагревателей в эффузионных камерах высокого разрежения (глубокого вакуума), температурный дифференциал у открытого конца тигля может составлять 40-100^оС. Тонкий слой пиролитического графита на внешней поверхности, прилегающей к открытому концу тигля, позволяет уменьшить температурный дифференциал в этой области по отношению к температуре на остальной поверхности тигля. Это связано с тем, что пиролитический графит обычно имеет теплопроводность 700 Вт/м^оС в плоскости аb и 3,5 Вт/м^оС в плоскости с, которая перпендикулярна плоскости аb. Теплопроводность пиролитического графита выше, чем теплопроводность нитрида бора, составляющая 60 Вт/м^оС в плоскости аb и 1,5 Вт/м^оС в плоскости с. Таким образом, требуется именно слой пиролитического графита, а не дополнительно утолщение слоя из нитрида бора для обеспечения более однородного или контролируемого температурного профиля тигля.

В соответствии с данным изобретением слой пиролитического нитрида бора, находящийся поверх пиролитического графита, обеспечивает дальнейшее уменьшение температурного дифференциала у открытого конца тигля; электрическую изоляцию слоя пиролитического графита от проводов окружающих резистентных нагревателей и снижение вероятности загрязнения углеродом продуктов, получаемых в тигле.

Пиролитический нитрид бора также способствует снижению потерь тепла в результате его более низкой теплопроводности в направлении с и более низкой спектральной излучательной способности, чем у пиролитического графита. Другими достоинствами пиролитического нитрида бора является его отличные диэлектрические свойства даже при высоких температурах и низкая проницаемость.

Для большинства вариантов применения толщина нижнего слоя из пиролитического графита должна составлять 2,5410^-2 2,54 мм. Толщина верхнего слоя из пиролитического нитрида бора должна составлять 5,0810^-2 1,016 мм.

Для образования покрытия из пиролитического графита на тигле из нитрида бора осуществляют разложение углеводородного газа в присутствии этого тигля при давлении, не превышающем в предпочтительном варианте 1 атм и температуре в пределах примерно 1000-2100^оС, предпочтительно 1300-1800^оС. Углеводородный газ может быть разбавлен инертным разбавителем, таким как гелий, аргон или азот в соотношении 10-400 об.ч. разбавляющего газа на 1 об.ч. исходного газа.

В качестве углеводородного газа может использоваться любой подходящий алкан, такой как метан или пропан, или ароматическое соединение, например, бензол. Предпочтительным углеводородным газом является метан.

Для получения предлагаемых в соответствии с изобретением тиглей нитрида бора наносят на матрицу, имеющую ту же форму, что и требующийся тигель. Применяемая матрица не должна плавиться при температуре нанесения нитрида бора и быть инертной по отношению к нему и аммиаку при этой температуре. Обычно используют матрицу из графита.

Обычно матрицу, на которую будет наноситься нитрид бора для получения тигля, помещают в вакуумную печь, предназначенную для осаждения покрытий из паровой фазы. Печь нагревают до требующейся температуры, и в реактор вводят аммиак и газообразный галид бора, обычно трихлорид бора. Реакцию между аммиаком и галлидом бора и нанос покрытия из образовавшегося в ее результате нитрида бора обычно проводят при температуре 1450-2300^оС. Температуру в реакторе соответственно поддерживают на этом уровне. Предпочтительно поддерживать температуру реактора в пределах 1800-2000^оС.

Реагенты вводят в реактор в паровой фазе. Обычно используют 1 моль аммиака на 1 моль галида бора, но предпочтительно иметь избыток аммиака. Наиболее предпочтительно использовать 2,5-3,5 моля аммиака на 1 моль галида бора, хотя возможен и больший избыток аммиака, если требуется. Объемная скорость при прохождении реагентов через реактор зависит от конструкции последнего, а также размеров и формы заготовки, на которую наносят нитрид бора. Типичная объемная скорость составляет примерно 0,2-0,3 м³/ч галида бора в расчете на объем печи 1,5-2,5 м³. Если требуется, инертный газ может быть смешан с газами реагентами.

Спустя определенный период времени, т.е. после образования и отложения на матрице нужного количества нитрида бора, подачу реагентов в реактор прекращают и последний охлаждают до комнатной температуры. Лодочка из пиролитического нитрида бора затем может быть вынута из матрицы.

В некоторых случаях может быть желательно получить многостеночный тигель, как описано в патенте [1] В частности, тигель получают путем отложения нитрида бора на матрицу, имеющую форму требующегося тигля, при температуре примерно 1850-3100^оС до образования первого слоя нитрида бора нужной толщины. Затем нанесение нитрида бора на матрицу прекращают и понижают температуру до уровня ниже 1750^оС, после чего снова осаждают дополнительное количество нитрида бора на матрицу при температуре примерно 1850-2100^оС для получения второго внешнего слоя нитрида бора, имеющего большую толщину, чем внутренний слой.

На фиг.1 представлен вид в поперечном сечении 30 одностеночного испарительного тигля из пиролитического нитрида бора, имеющего двуслойное покрытие на выбранных участках его внешней поверхности; на фиг.2 вид в поперечном сечении многостеночного испарительного тигля из пиролитического нитрида бора, имеющего двуслойное покрытие на внешней поверхности, прилегающей к открытому концу 5 тигля.

Одностеночный испарительный тигель 1 из пиролитического нитрида бора имеет открывающийся наружу фланец 2 у его открытого конца. На выбранных участках его внешней поверхности 3 имеется слой 4 пиролитического графита, поверх которого нанесен слой 5 пиролитического нитрида бора. Двуслойное покрытие из пиролитического графита и пиролитического нитрида бора способствует уменьшению температурного дифференциала на внутренних участках тигля, электрической изоляции слоя пиролитического графита от любых проводов окружающих резисторных нагревателей и снижению вероятности загрязнения получаемых с использованием тигля продуктов.

На фиг. 2 показан другой вариант воплощения изобретения в виде тигля с двуслойным покрытием, отличающегося тем, что основной корпус тигля 6 имеет более тонкий внутренний слой 7 из пиролитического нитрида бора и более толстый внешний слой 8 из пиролитического нитрида бора. Многостеночные тигли отличаются большей универсальностью, чем тpадиционные, обладают улучшенными термоциклическими характеристиками и имеют больший срок службы. Двуслойные покрытия 9 из пиролитического графита и пиролитического нитрида бора 10 показаны на внешней поверхности тигля 6 вблизи его открытого конца. Двуслойные покрытия также простираются до нижней (донной) поверхности 11 фланца 12 тигля 6.