ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

источник молекулярного потока

Классы МПК:C30B23/06 нагревание камеры для осаждения, подложки или испаряемого материала
C30B23/08 конденсацией ионизированных паров
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Институт физики полупроводников СО РАН
Приоритеты:
подача заявки:
1993-05-21
публикация патента:

Изобретение относится к оборудованию для получения материалов и многослойных структур полупроводниковых соединений. Источник молекулярного потока рабочего вещества содержит испаритель вещества с нагревателем, формирователь потока с нагревателем, управляющий элемент и привод управляющего элемента. Управляющий элемент выполнен в виде заслонки и расположен внутри канала, соединяющего испаритель и формирователь потока, поверхность перекрытия канала заслонкой выполнена под острым углом к оси канала, а конфигурация внешней поверхности заслонки согласована с формой внутренней поверхности канала в месте расположения заслонки. Кроме того, кинематические пары, обеспечивающие перемещение заслонки, и связь с приводом, выполнены гибкими связями. Использование изобретения позволяет регулировать интенсивность и перекрывать молекулярный поток вне зависимости от конфигурации и используемого формирователя потока при различных расходах и режимах течения молекул паров рабочего вещества без переналадки источника и искажения диаграммы направленности исходящего из формирователя потока в процессе регулирования. Расширяется диапазон температурных режимов работы источника и используемых для испарения веществ, упрощается конструкция при одновременном исключении конденсации рабочего вещества на регулирующем элементе и других элементах конструкции контактирующих с потоком. 1 с.п. ф-лы, 5 ил.

Рисунки к патенту РФ 2064980

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

Изобретение относится к оборудованию для получения материалов и многослойных структур полупроводниковых соединений методом вакуумного эпитаксиального роста (молекулярно-лучевой эпитаксии) (МЛЭ), эпитаксии из металло-органических соединений (МОС) и может использоваться для газофазной эпитаксии, вакуумного напыления пленок и проведения физико-химической обработки подложек в вакууме.

Известны источники молекулярных потоков, конструкция которых содержит два автономных устройства: непосредственно источник для создания молекулярного потока рабочего вещества, например, термическим испарением, и механизм заслонки, рабочий орган которой (заслонка) расположен на некотором расстоянии от выходного отверстия источника (1, 2).

Регулировка скорости испарения рабочего вещества и, соответственно, плотности молекулярного потока на выходе из источника осуществляется изменением температуры тигля источника, а исходящим из источника молекулярным потоком и его попадание в зону роста управляет заслонкой. Конструктивно заслонка выполняется в виде пластинки с площадью большей, чем выходное отверстие источника.

Управление потоком осуществляется экранированием подложки относительно источника заслонкой, при перемещении последней из положения "открыто" в положение "закрыто".

Основным недостатком таких источников является плохая регулируемость параметров молекулярного потока, например, плотности потока, его стабильности. Неэффективность регулирования параметров молекулярного потока изменением температуры тигля источника связана с инерционностью тепловых процессов. Это вызывает затруднения при стабилизации плотности потока для проведения длительных процессов роста. А при эксплуатации низкотемпературных источников, например, паров ртути, время стабилизации потока может достигать нескольких часов. Инерционность регулирования не позволяет достигать больших изменений плотности потока в короткие промежутки времени, например, при выращивании тонких слоев переменного состава или слоев сверхрешеточных структур, когда время изменений концентрации компонентов составляет секунды. Плавно или дискретно изменение плотности истекающего из источника потока за счет частичного перекрытия выходного отверстия источника заслонкой невозможно, так как при этом происходит искажение диаграммы направленности истекающего потока и, соответственно, ухудшение равномерности распределения молекул в зоне роста (на подложке). Кроме того, некоторые вещества, используемые для эпитаксии (As, Cd, Те и т.д.) адсорбируются на заслонке, что приводит к периодическому отслоению адсорбента и засорению источника, а десорбция с внешней стороны заслонки может вызвать неконтролируемое изменение фонового потока примесей на подложку при изменении температуры заслонки в открытом и закрытом положениях. К тому же для работы заслонки необходимо дополнительное пространство, куда перемещается заслонка при открывании источника. И, наконец, при перекрытии потока заслонкой на выходе источника ее температура в первоначальный момент близка к температуре криопанели, над которой она находилась в открытом состоянии, и постепенно повышается под действием теплового потока из источника. Это приводит к изменению теплообмена между подложкой и зоной источника и, следовательно, к локальному изменению температуры на подложке.

Известен источник, рассчитанный на эксплуатацию при больших величинах потоков и без изменения диаграммы направленности выходящего из источника потока рабочего вещества (3).

Работа источника основана на дросселировании потока пара через диафрагму. Изменение интенсивности потока достигается изменением давления на входе диафрагмы за счет изменения количества поступающего из испарителя пара. При этом температуры испарителя и проводимость парового канала после диафрагмы остаются неизменными. Для перекрытия потока на подложку между диафрагмой и выходным соплом установлен быстродействующий пневмоклапан.

Недостатками этого источника являются: необходимость замены диафрагмы при изменении диапазона регулирования плотности потока, невозможность эксплуатации при температурах более 150 oС, что не позволяет создавать большие по величине потоки и не применять вещества с большей рабочей температурой. Источник не может работать в молекулярном режиме течения потока паров.

Известна конструкция источника, работающего при температуре испарителя более 300oС и осуществляющего регулирование в молекулярном режиме течения потока без искажения диаграммы направленности потока на подложку (4).

Регулирование потока осуществляется механическим натекателем. Седло натекателя одновременно является выходным отверстием испарителя. Диаметр отверстия 1,6 мм. Рабочее вещество (As) испаряется в испарителе, через натекатель попадает в проводящую трубку и доходит до зоны крекинга и поступает на выход источника. Для предотвращения конденсации мышьяка в зоне регулирования полосковый нагреватель испарителя заканчивается дальше выходного отверстия испарителя (седло натекателя), в то время как противоположный конец натекателя непосредственно не нагревается. Проводящая трубка нагревается теплопроводностью от нагревателей испарителя и зоны крекинга. Регулирование потока осуществляется перемещением иглы в седле натекателя. Перемещение иглы осуществляется микровинтом с приводом на базе шагового двигателя. Сигнал управления формируется на основании сигнала от внешнего измерителя потока. Такое техническое решение позволило, по утверждению авторов, сократить время установления потока до 1 сек. Скорость отработки управляющего сигнала ограничена только предельной скоростью вращения микровинта привода натекателя. При изготовлении источника в зоне потока использованы тантал, алюминий, карбид вольфрама, нитрид бора, нержавеющая сталь.

Основным недостатком такой конструкции является то, что она не применима для источников потока большой интенсивности, например, для ртути, когда режим течения паров испаряемого материала переходит в вязкостный режим. Т.к. из-за малого зазора между иглой и седлом наступит режим, при котором скорость потока достигнет звуковой скорости и дальнейшее повышение давления в испарителе не приведет к изменению потока. Поток будет определяться только размером зазора (отверстия). Поэтому, например, для ртутного источника при давлении в испарителе более 1 мм рт.ст. поток будет около 0,2 л мм рт.ст./с вместо требуемого 1-2 л мм рт.ст./с. Ограничена область применяемых для испарения материалов, т.к. конструкция может быть выполнена только с применением металлов, в частности, герметизирующий сильфон, который чаще всего изготавливается из нержавеющей стали, несовместимой при рабочих температурах с многими применяемыми для эпитаксии веществами, а для предотвращения конденсации таких веществ, как Hg, Te, Cd, Ga и т.п. необходимо, чтобы все элементы конструкции прогревались до температуры большей температуры испарения. В данной конструкции обеспечивается прогрев только испарителя, зоны крекинга. Все остальные элементы конструкции нагреваются теплопроводностью и не термостабилизированы. Поэтому в районе сильфона натекателя образуется зона с пониженной температурой, где могут конденсироваться испаряемые вещества такие, как Te, Hg. А при использовании такого источника для создания паров ртути это будет приводить к нарушению стабильности потока из-за попадания конденсата в более нагретую зону. В такой конструкции инерционность изменения потока будет определяться не только скоростью отрабатывания натекателем управляющего сигнала, но и объемом и проводимостью проводящей трубки соединяющей испаритель с выходом источника. А перенести место регулирования с натекателем ближе к крекинг зоне для уменьшения инерционности нельзя из-за высокой температуры в этой зоне, что приведет к быстрому выходу натекателя из строя, также из-за усложнения конструкции, вызванной необходимостью переноса места регулирования и создания для него соответствующего механизма передачи движения. Следует отметить сложность данной конструкции и невозможность быстрого отключения потока при создании резких границ гетероструктур, т.к. время включения/отключения потока при этом не должно превышать 0,5 с. Наличие пар трения в пространстве парового потока может вызвать выделение неконтролируемых примесей, например, углерода, которые молекулярным потоком будет переносится в зону роста и ухудшать параметры выращиваемых структур.

Цель изобретения обеспечение регулирования интенсивности и перекрытия молекулярного потока вне зависимости от конфигурации используемого формирователя потока при различных расходах и режимах течения молекул паров рабочего вещества без переналадки источника и искажения диаграммы направленности исходящего из формирователя потока в процессе регулирования, а также расширение диапазона температурных режимов работы источника и используемых для испарения веществ, упрощение конструкции при одновременном исключении конденсации рабочего вещества на регулирующем элементе и др. элементах конструкции контактирующих с потоком.

Поставленная цель достигается тем, что в источнике молекулярного потока рабочего вещества, содержащем испаритель вещества с нагревателем, формирователь потока с нагревателем, управляющий элемент и привод управляющего элемента, управляющий элемент выполнен в виде заслонки, установленный внутри канала и расположен внутри канала соединяющего испаритель и формирователь потока, причем поверхность перекрытия канала заслонкой выполнена под острым углом к оси канала, а конфигурация внешней поверхности заслонки согласована с формой внутренней поверхности канала в месте расположения заслонки.

Кроме того, все кинематические пары, обеспечивающие перемещение заслонки и связь с приводом, выполнена гибкими связями.

Расположение управляющего элемента заслонки внутри канала между испарителем и формирователем потока позволяет осуществлять регулирование интенсивности потока молекул изменением сопротивления потоку в зоне регулирования за счет изменения положения заслонки в канале. Т.к. заслонка расположена до входа потока в формирователь, то диаграмма направленности истекающего из источника потока молекул будет определяться только характеристиками самого формирователя и не зависит от положения заслонки. В то же время изменение сопротивления проходящему потоку позволяет регулировать интенсивность потока вытекающего из источника вне зависимости от режима течения молекул, оперативно и без какой-либо переналадки, т.к. при любом режиме течения (молекулярном, вязкостном) интенсивность потока обратно пропорциональна сопротивлению зоны регулирования. А учитывая, что форма профиля заслонки повторяет форму внутренней поверхности канала, то в открытом положении заслонка прилегает к внутренней поверхности канала и полностью освобождает проходное сечение не препятствуя прохождению потока. В положение "закрыто" заслонка полностью перекрывает канал. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает максимально возможный диапазон регулирования потока. Привод заслонки выполнен рычажным, с гибкими связями для исключения трения. Это позволило увеличить скорость перемещения заслонки по сравнению с винтовыми приводами. Например, время открывания заслонки при использовании двигателя ДРШ-711 составляет 0,2 сек, а диапазон открывания разбит на 90 шагов.

Такое время соответствует времени срабатывания обычных заслонок и пневмоклапанов удовлетворяет требованиям технологического процесса. Учитывая, что в горячей зоне источника расположена только сама заслонка, причем предельно простая, а привод вынесен за пределы прогреваемой части источника, снимаются все ограничения по температурным режимам работы источника и его элементов, кроме стойкости материала, из которого изготовлены детали, контактирующие с рабочим веществом и его парами к данному веществу. Расположение заслонки внутри источника обеспечивает ее автоматический прогрев имеющимися нагревателями до температуры, близкой к температуре канала, где она находится, что исключает конденсацию рабочего вещества на заслонке и в зоне регулирования при любых режимах эксплуатации, естественно за исключением режима, при котором происходит конденсация рабочего вещества в самом канале или формирователе, но эти режимы не являются рабочими. При этом не требует дополнительных устройств нагрева и стабилизации температуры заслонки. А т.к. заслонка по размерам и массе меньше, например, канала или формирователя потока, то при изменении температурного режима источника заслонка практически не влияет на время стабилизации.

Кроме того, применение предлагаемых источников в оборудовании МЛЭ позволяет стабилизировать температурные режимы на поверхности растущего слоя, т. к. при работе источника излучаемый в направлении подложки тепловой поток остается неизменным вне зависимости от положения заслонки.

Таким образом, только предлагаемая конструкция источника с заслонкой, расположенной в самом источнике, позволяет решить эту задачу. Кроме того, только предлагаемое расположение заслонки позволяет осуществить регулирование потока в источниках со сложной формой формирователя потока, например, выполненного в виде замкнутой прореженной полости со щелью или группой отверстий направленных на подложку. А применение формирователя сложной формы позволяет резко сократить расход рабочего вещества с низким коэффициентом прилипания, например, Hg, за счет приближения выходных отверстий формирователя к зоне роста, или же позволяет посредством разветвленного формирователя создать местное повышение давления в зоне обработки подложки. И, наконец, предлагаемое техническое решение позволяет устранить перечисленные ранее недостатки при существенном упрощении конструкции.

Изложенное выше позволяет сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена конструкция источника молекулярного потока с заслонкой, тепловые экраны условно не показаны.

На фиг.2 приведен пример компановки источников с заслонкой при использовании формирователей различной конфигурации.

На фиг.3 показаны примеры согласования конфигурации заслонки для сечения цилиндр-цилиндр; на фиг.4 для сечения цилиндр параллелепипед; на фиг.5 - для сечения параллелепипед параллелепипед.

Источник содержит испаритель 1, в котором находится испаряемое рабочее вещество, и формирователь потока 2, форма и размеры которого определяют диаграмму направленности молекулярного потока истекающего из источника в направлении подложки. Испаритель 1 и формирователь 2 соединены каналом 3, внутри которого установлена заслонка 4, которая тягами 5 и 6 соединена с механизмом привода заслонки 7. Тяга 6 и механизм привода 7 расположены вне горячей зоны источника. Заслонка 4 при помощи гибкого элемента 8 крепится к стенке канала 3, причем плоскость перекрытия заслонкой 4 канала 3 расположена под острым углом к оси последнего. Такое техническое решение позволяет получить более плавное регулирование потока, т.к. поток, протекающий через зону регулирования пропорционален проводимости зазора между заслонкой 4 и плоскостью перекрытия канала 3, а длина линии уплотнения в данном случае больше, чем при поперечном расположении заслонки, и поэтому изменение проводимости будет более плавным. Кроме того, в предлагаемой конструкции полное открывание заслонки обеспечивается при перемещении приводной тяги 5 на расстояние меньшее поперечного сечения перекрываемого канала в отличие от заслонок с поперечным расположением и направлением движения управляемого элемента. А введение гибких связей позволяет исключить кинематические пары качения и скольжения. Формирователь 2 и испаритель 1 снабжены индивидуальными нагревателями 9 и 10, с собственными регуляторами температуры. Нагреватель 10 одновременно обеспечивает нагрев зоны регулирования, где расположены заслонка 4 и канал 3. Конструкция источника крепится к вакуумному фланцу 11. Выходное отверстие 12 формирователя 2 направлено на подложку 3.

Нагреватель 10 обеспечивает нагрев рабочего вещества, помещенного в испаритель 1 и необходимую скорость испарения для создания требуемой интенсивности молекулярного потока. Нагреватель 9 обеспечивает необходимый температурный режим, предотвращающий конденсацию вылетевших из испарителя 1 молекул в канале 3 и формирователе 2 и может одновременно использоваться например, для термической диссоциации или активации молекул потока. Обеспечение разности температурных режимов канала 3 и формирователя 2 достигается либо изменением плотности навивки нагревателя 9 в разных зонах, либо разбиением его на два отдельных нагревателя, нагреватель канала 3 и нагреватель формирователя 2. Т.к. заслонка 4 конструктивно встроена в источник и поэтому имеет температуру близкую к температуре внутренних стенок канала 3, то отпадает необходимость в каком-либо специальном нагревателе заслонки для предотвращения на ней конденсации рабочего вещества, что упрощает конструкцию источника и его эксплуатацию. Использование в предлагаемой конструкции источника встроенной подвижной заслонки 4 в отличие от стационарной диафрагмы (3) позволяет обеспечить условия дросселирования в вязкостном режиме течения молекул при любых величинах потока посредством изменения положения заслонки без какой-либо переналадки источника. В то же время при работе источника в молекулярном режиме течения молекул, конструктивно более простой по сравнению с натекателем, управляющий элемент заслонка обеспечивает изменение интенсивности потока рабочего вещества в области как малых, так и больших величин потока в отличии от прототипа, сохраняя при этом принцип регулирования за счет изменения проводимости зоны регулирования, что обеспечивает оперативность регулирования потока по сравнению с термическими методами регулирования. А исключение из конструкции элементов, работающих в прогреваемой части источник (двигателей, манометров, клапанов) и сокращение применяемых элементов и материалов, контактируемых с рабочим веществом (т.к. конструкция источника проста, то может быть изготовлена практически из одного материала, например, кварца или металла), что позволяет нагревать формирователь 2 и испаритель 1 без особых ограничений до высоких температур как с целью испарения и создания необходимого давления в испарителе 1 для обеспечения требуемых величин потоков, например, паров Hg, так и для предотвращения адсорбции вещества в формирователе 2 или для крекинга рабочего вещества. В то же время заслонка в закрытом положении полностью перекрывает канал 3 (и, следовательно, поток рабочего вещества), поэтому отпадает необходимость в использовании на выходе из источника заслонки или клапана, но при этом сохраняется высокая скорость срабатывания в отличии от источника с натекателем.

Учитывая, что в предлагаемой конструкции заслонка 4 расположена перед формирователем потока 2, то положение заслонки в процессе регулирования не оказывает существенного влияния на диаграмму направленности истекающего из источника молекулярного потока, которая определяется конфигурацией формирователя 2 и режимом течения молекул. Поэтому такая конструкция позволяет регулировать интенсивность потока и отсекать поток при любой конфигурации формирователя 2, в т. ч. и для формирователя сложной формы, например, выполненных в виде замкнутой полоски с отверстиями 12, направленными на подложку 13 и расположенными в непосредственной близости от последней (например, см. фиг.2), когда применение традиционных заслонок невозможно. Это позволяет использовать предлагаемую конструкцию источника с формирователем сложной конструкции для подвода газообразных веществ (например, Н2, О22) при получении сверхпроводниковых структур и для источника веществ с высоким давлением паров или низким коэффициентом прилипания, например, паров ртути. При этом, для создания повышенного давления в зоне подложки и снижение расхода ртути формирователь приближают к зоне обработки, а данная конструкция обеспечивает и регулирование потока. Величина молекулярного потока истекающего из источника определяется перепадом давления и проводимостью зоны регулирования. При регулировании потока заслонкой движущейся перпендикулярно оси потока (заслонки шиберного типа, типа "сэндвич" и т.д.) канал зоны регулирования остается постоянным (паропровод), поэтому поток пропорционален проводимости отверстия открываемого заслонкой. В предлагаемом изобретении проводимость зоны регулирования определяется двумя параметрами переменными:

проводимостью отверстия и проводимостью конической части, образованной поверхностью заслонки и плоскостью перекрытия. Поэтому проводимость зоны регулирования можно выразить уравнением:

источник молекулярного потока, патент № 2064980

где:

Uот. проводимость открытого заслонкой отверстия;

Uкон. проводимость конической части зоны регулирования.

Таким образом, при расположении плоскости парекрытия под углом к оси молекулярного потока при прочих равных условиях (перепад давления, площадь открытого отверстия (предлагаемая конструкция обеспечивает более тонкое регулирования величины потока. Причем более качественное регулирования обеспечивается в начале диапазона регулирования. При полностью открытой заслонке проводимость (следовательно и поток) определяется сечением и конфигурацией зоны регулирования. Источник работает как традиционный сопловой источник. Угол наклона плоскости перекрытия реально может изменяться от 10o до 80o. При меньших углах наклона сильно возрастает сопротивление зоны регулирования и геометрические размеры устройства, что приводит к большим трудностям при изготовлении и снижению надежности перекрытия. А при больших углах наклона система вырождается в источник с заслонкой шиберного типа и снижается эффективность регулирования малых потоков. В предложенной конструкции заслонка установлена под углом 30o к оси потока.

На фиг.3-5 показаны примеры согласования конфигурации заслонки 4 с формой поверхности канала 3 и входным сечением формирователя 2. Согласование конфигурации заслонки 4 с формой канала 3 и формирователя 2 позволяет с одной стороны обеспечить полное перекрытие канала в закрытом положении заслонки 4, а с другой достичь полного освобождения проходного сечения канала при открытом положении заслонки 4, и, таким образом, обеспечить максимально возможную проводимость канала при выбранных геометрических размерах канала и формирователя, т.е. обеспечить работу источника в режиме обычного соплового источника. При этом внешние габариты источника и зоны регулирования остаются практически неизменными, что позволяет встраивать предлагаемые источники в ограниченное пространство технологических камер. А простота конструкции регулируемого элемента и его относительная независимость от расположения привода позволит разместить зону регулирования в непосредственной близости от входа формирователя потока, за счет чего достигается уменьшение инерционности изменения потока на выходе из источника при изменении положения регулируемого элемента. Перенос зоны регулирования в других источниках, например, ртутном, или источнике с натекателем, практически невозможен из-за резкого усложнения конструкции.

Использование в качестве управляющего элемента заслонки 4 с качательным движением вместо шибера, вентиля или клапана с поступательным движением регулирующего элемента, и выполнение поверхности перекрытия заслонкой 4 канала 3 под углом к продольной оси источника (направлению перемещения потока) позволило обеспечить регулировку проводимости канала 3 источника при перемещениях тяги 5 меньших, чем характерный размер сечения зоны регулирования. А исключение из конструкции ходовых винтов с их кинематическими и температурными ограничениями, и с учетом уменьшения хода привода для полного перекрытия канала позволило достичь время срабатывания заслонки в пределах 0,2 сек. при одновременном упрощении конструкции источника. Передача движения на заслонку 4 во всем диапазоне регулирования осуществляется со стороны низкого давления. При этом сопротивление щели в стенке канала 3 вокруг тяги 5 для прохода молекул много больше сопротивления самого канала и формирователя 2, а наличие нагревателя на наружной стенке канала 3 и радиационных экранов теплоизоляции источника создают дополнительный тепловой затвор. Поэтому утечка молекул в этом месте незначительна и можно исключить уплотнение привода или сильфонную герметизацию тяги. Кроме того, при открывании тело заслонки 4 экранирует место ввода тяги 5, а при полном открытии заслонки утечки отсутствуют. Таким образом, упрощается конструкция источника.

Т.к. заслонка при регулировании потока находится внутри источника появляется возможность располагать одновременно несколько источников предлагаемой конструкции с большей интенсивностью потоков и со сложной конфигурацией формирователей в непосредственной близости от подложки. При этом формирователи могут располагаться или в одной плоскости (верхний ярус), или в нескольких (фиг. 2). Таким образом, осуществляется регулируемый подвод различных веществ с большой интенсивностью потоков в зону обработки и их относительную локализацию в зоне роста при одновременном снижении их расхода и уменьшении фонового давления при проведении технологического процесса, что не обеспечивается источниками известных конструкций. Кроме того, при расположении формирователей по периферии подложки обеспечивается возможность одновременного использования и традиционных источников молекулярных потоков в технологическом процессе для подачи веществ с низкими рабочими давлениями и для легирующих примесей.

При использовании источника для создания молекулярного потока рабочих веществ с большой упругостью паров и/или большим расходом, например, для ртути, стойка, соединяющая фланец 11 с испарителем 1, выполняется в виде трубки, герметично соединенной с испарителем, а к свободному концу этой трубки подсоединяется питатель, обеспечивающий подачу рабочего вещества в испаритель и поддержание уровня заполнения испарителя без разгерметизации системы. Если же в качестве рабочего используется газообразное вещество, то испаритель подсоединяется к внешнему истоку вещества и служит уже не для испарения, а для стабилизации исходных параметров, в частности, температурных; перед подачей рабочего вещества в зону регулирования. Кроме того, т. е. при регулировании и управлении потоком заслонка находится внутри паропровода источника и при этом в отличии от известных источников не требуется дополнительного пространства - облегчается компановка предлагаемых источников в блоки источников при ограниченном рабочем объеме технологических камер и особенно вблизи зоны обработки подложек.

Предлагаемый источник молекулярного потока работает следующим образом.

Учитывая, что при любом режиме течения парового потока в канале 3 величина потока истекающего из формирователя 2 пропорциональна проводимости канала и зоны регулирования, т.е. зазору между заслонкой 4 и поверхностью перекрытия канала 3, то регулирование интенсивности потока и управление попаданием потока на подложку 13 осуществляется перемещением заслонки 4 посредством тяг 5, 6 и привода 7. При этом рабочее вещество помещается в испаритель 1, температура которого регулируется и поддерживается стабильной регулятором температуры управляющим нагревателем 10. Уровень температуры выбирается, исходя из необходимой скорости испарения, требуемой для создания требуемой величины расхода вещества (плотности потока) и компенсации потерь молекул на пути к подложке. На всем пути прохождения молекулярного потока от испарителя 1 до выхода 12 из формирователя 2 конструкция прогревается нагревателем 9 до температуры большей, чем температуры испарителя 1 и поддерживается постоянной соответствующим регулятором. Таким образом, обеспечивается регулирование и управление потоком молекул, истекающих из источника при стабилизированной температуре элементов источника и, следовательно, повышается стабильность параметров молекулярного потока при проведении долговременных процессов и снижается инерционность при регулировании, интенсивность потока в случае выращивания пленок переменного состава и сверхпрочных структур за счет исключения влияния инерционных термических процессов на процесс регулирования.

В случае применения предлагаемой конструкции в качестве источника для веществ с большим расходом, например, Hg, режим течения потока внутри источника является вязкостным. При этом испаритель 1 (см. фиг.1) соединяют с питателем. Питатель обеспечивает подачу необходимого количества рабочего вещества в испаритель 1 во время работы источника без разгерметизации системы. Нагревателем 10 нагревают вещество (Hg) до температуры необходимой для процесса расхода вещества, обеспечивающем сверхзвуковое протекание паров через зону регулирования. При этом изменение (повышение) давления перед заслонкой не влияет на величину потока, которая определяется только проводимостью зоны регулирования (т.е. зазором между заслонкой 3 и сопрягаемой поверхностью паропровода 9). Поэтому, создав некоторый запас по давлению за счет перегрева испарителя 1 и стабилизации его температуры на выбранном режиме можно полностью исключить влияние колебания температуры на интенсивность потока и таким образом повысить стабильность работы источника. Регулирование интенсивности молекулярного потока осуществляется изменением положения заслонки 4 за счет тяг 5 и 6, и электропривода 7. Управляющий сигнал вырабатывается от внешнего датчика измерения потока. Поток пара из зоны регулирования поступает в формирователь 2, который за счет своей конфигурации, соответствующей диаграммы направленности и расположения относительно подложки (например, см. фиг.1, 2) обеспечивает подачу паров вещества в зону обработки. Учитывая, что регулирование потока осуществляется при стабилизированных температурных режимах облегчается управление технологическим процессом. В случае, если необходимо изменить диапазон регулирования потока достаточно перейти на другой температурный режим в соответствии с указанными выше условиями и та же заслонка будет регулировать потоки паров в другом интервале расхода вещества. Таким образом, одна конструкция источника обеспечивает регулирование и управление потоком при любом режиме течения молекул потока в источнике и может использоваться, в том числе, и в качестве источника для газообразных веществ.

При температуре испарителя 140oС давление паров ртути в нем было около 1,8 м рт.ст. Величина потока истекающего из источника при закрытой заслонке (фоновой поток) и перепаде давления испаритель формирователь потока порядка 2 мм рт. ст. не превышает 6источник молекулярного потока, патент № 206498010-4 л. мм рт.ст./с, в то время как в рабочем (ростовом) режиме при использовании формирователя потока сложной конфигурации (например, см. фиг.2) поток составляет около 3источник молекулярного потока, патент № 2064980 10-1 л. мм рт.ст./с и обеспечивает давление в зоне роста порядка 1источник молекулярного потока, патент № 206498010-3 мм рт.ст. Температура формирователя поддерживается на уровне 200oС. Следовательно, предлагаемая конструкция источника с заслонкой достаточно эффективна при использовании для выращивания ртуть-содержащих соединений. При более тщательном (качественном) изготовлении заслонки величина фонового потока из источника может быть снижена до (5источник молекулярного потока, патент № 206498010-5-5источник молекулярного потока, патент № 206498010-6)л. мм рт.ст./с.

Использование предлагаемого регулируемого источника в качестве источника молекулярных потоков веществ с меньшей упругостью пара и большим коэффициентом прилипания приведет к меньшему давлению в испарителе, соответственно, меньшему перепаду давлений в зоне регулирования и более низкому фоновому потоку из источника.

Таким образом, источник обеспечивает регулирование потока в диапазоне двух порядков величины регулируемого потока от максимального (при открытой заслонке) до минимального, практически определяемого фоновым потоком. Такой диапазон регулирования обеспечивает требования любого технологического процесса вакуумного эпитаксиального выращивания структур полупроводников.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Источник молекулярного потока рабочего вещества, содержащий испаритель вещества с нагревателем, формирователь потока с нагревателем, соединенный с испарителем паропроводящим каналом, и управляющий элемент, связанный с приводом кинематическими парами, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен в виде заслонки, установленной внутри канала, причем уплотняющая кромка заслонки в закрытом положении расположена под острым углом к оси канала, а форма заслонки в открытом положении повторяет внутреннюю поверхность канала в зоне регулирования и заслонка прилегает к ней без экранирования проходного сечения.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что кинематические пары, обеспечивающие перемещение заслонки, и связь с приводом выполнены гибкими элементами.



Наверх