испарительный тигель

Формула изобретения

Испарительный тигель, содержащий объем для испаряемого вещества, на горловине которого закреплен сепарирующий элемент, отличающийся тем, что сепарирующий элемент выполнен в виде вставки с винтовым каналом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой области техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии для снижения плотности дефектов в эпитаксиальных структурах.

При молекулярно лучевой-эпитаксии бинарных полупроводников и твердых растворов на их основе почти всегда элементы, входящие в состав выращиваемого соединения, распыляются из раздельных источников. В вакуумном объеме, где происходит эпитаксиальный рост, в состав остаточных паров всегда входят молекулы некоторых или всех элементов, распыляемых в объеме. Молекулы одного элемента могут попадать в источник другого элемента и образовать полупроводниковые соединения. Данный процесс наиболее интенсивно происходит в то время, когда источники разогреваются или остывают и непосредственно в момент роста. Очень часто температура в источнике ниже температуры разложения образовавшегося соединения, поэтому данное соединение будет накапливаться в виде мелких аморфных или поликристаллических кластеров, частичек, комочков, хлопьев и т.д. Во время роста полупроводникового соединения такие частички будут увлекаться потоком испаряемого вещества и попадать на подложку, вызывая тем самым образование дефектов в растущей пленке.

Частично данную проблему могут решить механические заслонки, которыми снабжаются молекулярные источники. В заявке Японии 1-278494 МПК C 30 B 23/08, H 01 L 21/203 представлен механизм источника молекулярного пучка. Источник молекулярного пучка содержит тигель, куда помещается исходный материал. Для получения молекулярного пучка материал в тигле нагревают в печи с помощью нагревателя. Источник пучка снабжен заслонкой, открывающей доступ молекулярного пучка в камеру или прерывающей пучок. Чтобы исключить налипание исходного материала из пучка на поверхность заслонки, в нее встроен нагреватель, обеспечивающий нагрев поверхности заслонки до температуры, превышающей температуру материала в тигле.

Недостатком данной конструкции является то, что механическая заслонка закрывает источник только в момент разогрева или остывания источника и открывает его непосредственно в момент роста, тем самым не препятствуя попаданию молекул другого элемента, переотраженных от нагретых элементов вакуумного объема, в молекулярный источник и образованию хлопьев.

Известен источник - патент Японии 59-251517 МПК C 30 B 23/08, C 23 C 14/24, H 01 L 21/203, в котором описан испарительный тигель. Тигель представляет собой цилиндрический стакан, в котором со стороны открытой части на внутренней стенке в направлении глубины выполнены выступы. Тигель снабжен съемными экранами с вырезами, сопрягающимися с выступами, и выпускными отверстиями для газа. Экраны установлены в полости цилиндрического стакана со стороны открытой его части. Отверстия в экранах расположены так, что отверстия соседних экранов не перекрываются между собой, тем самым предотвращая прямое попадание переотраженных молекул в источник и прямой выход содержимого источника в зону роста.

Основным недостатком такой конструкции является ее низкая проводимость. Известно, что проводимость отверстия прямо пропорциональна диаметру отверстия в квадрате, смотри Л.Н.Розанов. "Вакуумная техника". М.: Высшая школа, 1990, 320 с. Необходимое условие, что все отверстия двух ближайших пластин не перекрываются между собой, накладывает ограничение на диаметр отверстия и их количество на пластине. В предельном случае, когда на пластине имеется одно отверстие диаметром в два раза меньше чем диаметр тигля, система из трех таких пластин снижает проводимость в 12 раз. С увеличением количества отверстий на пластине и соответственно с еще большим уменьшением их диаметра проводимость всей системы будет уменьшаться еще в большее число раз. Кроме того, молекулярный поток, вытекающий из отверстия маленького диаметра, претерпевает адиабатическое расширение, переохлаждается и конденсируется на пластинах и стенках тигля.

Техническим результатом изобретения является снижение вероятности попадания остаточных паров вакуумного объема в тигель молекулярного источника без значительного уменьшения проводимости тигля.

Технический результат достигается тем, что в испарительном тигле, содержащем объем для испаряемого вещества и закрепленный на его горловине сепарирующий элемент, сепарирующий элемент выполнен в виде вставки с винтовым каналом.

Для реализации вышеизложенной задачи мы предлагаем использовать специальную вставку с винтовым каналом (шнек), помещаемую в полость тигля со стороны открытой его части. По форме такая вставка представляет собой спираль, внешний диаметр которой подбирается таковым, что вставка плотно вставляется в тигель. Вставка с винтовым каналом препятствует прямому пролету молекул из вакуумного объема в тигель и обратно, предотвращая образование химических соединений в тигле молекулярного источника.

На фиг. 1 представлен вид тигля со вставкой с винтовым каналом, где 1 - вставка с винтовым каналом, 2 - крепежные уши, 3 - тигель молекулярного источника. Уши 2 не позволяют провалиться вставке 1 в тигель 3 и фиксируют ее в определенном положении.

Для получения молекулярного пучка испарительный тигель помещают в молекулярный источник. Нагреватель молекулярного источника нагревает горловину тигля 3 вместе со вставкой 1 до температуры выше температуры разложения полупроводниковых соединений, получаемых в данном вакуумном объеме. Объем вакуумной установки, в которой происходит рост полупроводникового соединения, много больше объема отдельного тигля молекулярного источника, а давление остаточных паров в вакуумной установке на несколько порядков меньше давления паров вещества, загруженного в источник. Поэтому молекулы остаточных паров элементов, распыляемых в объеме, отражаясь от поверхности вставки, не попадают в тигель молекулярного источника, а молекулы испаряемого вещества после нескольких отражений от стенок тигля и от поверхности вставки вылетают из тигля молекулярного источника. Даже если молекулы остаточной атмосферы вакуумного объема попадут в тигель и образуют в нем хлопья химических соединений, то такие хлопья не смогут вылететь из тигля, так как они осядут на поверхности вставки с винтовым каналом.

Не существует каких-либо принципиальных ограничений на толщину лопастей вставки с винтовым каналом. Лопасти и крепежные уши вставки с винтовым каналом могут быть какими угодно тонкими, лишь бы конструкция не теряла своей жесткости. Поэтому можно считать, что толщина лопастей и крепежных ушей много меньше диаметра тигля, и что вставка не уменьшает проходного диаметра тигля, а только увеличивает эффективную длину пролета молекул. Известно, что проводимость паропровода обратно пропорциональна его длине, смотри Л.Н.Розанов. "Вакуумная техника". М.: Высшая школа, 1990, 320 с. Для вставки с винтовым каналом с двумя витками эффективная длина увеличивается в три раза, и значит вставка с винтовым каналом уменьшает проводимость тигля тоже в три раза.

Вставка с винтовым каналом была испытана на установке МЛЭ "Обь" в камере выращивания твердых растворов CdZnTe. Применение вставки во всех молекулярных источниках позволило снизить плотность дефектов в пленке теллурида кадмия с величины 2 10³ см^-2 до величины, меньшей чем 1 10² см^-2. Было также изучено влияние вставки с винтовым каналом на диаграмму направленности молекулярного источника. На фиг. 2 представлено распределение толщины пленки теллура по поверхности стеклянной пластины, помещенной на место подложки в камере МЛЭ. Напыление теллура производилось при комнатной температуре, средняя толщина пленки составляет 1000 ангстрем, распределение толщины определялось по поглощению лазерного луча. Кривая 4 - распределение теллура из источника без вставки, кривая 5 - распределение теллура из источника со вставкой. Из данных, представленных на фиг. 2, видно, что вставка с винтовым каналом существенным образом не влияет на диаграмму направленности молекулярного источника.