установка для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках

Формула изобретения

Установка для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках, включающая вакуумную камеру, в которой размещены исполнительный орган манипулятора в виде поворотной относительно ее продольной оси штанги со съемным подложкодержателем, нагреватель, содержащий корпус с размещенным в нем нагревательным элементом и тепловой экран с полостями в его стенках для подачи охлаждающей жидкости, отличающаяся тем, что нагреватель установлен на свободном конце поворотной штанги, а съемный подложкодержатель размещен на корпусе нагревателя с зазором относительно нагревательного элемента, тепловой экран нагревателя с полостями в его стенках выполнен в виде двух стаканов, охватывающих со всех сторон нагреватель с подложкодержателем и снабженных стержнями, поворотными относительно осей, перпендикулярных продольной оси штанги манипулятора, в стержнях выполнены каналы для подачи и отвода охлаждающей жидкости, которые сообщены с полостями в стенках стаканов теплового экрана, при этом в днище стакана, расположенного со стороны подложкодержателя, выполнено окно, сообщающее подложку с вакуумной камерой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для производства элементов полупроводниковой техники и, в частности, предназначено для создания полупроводниковых соединений азота с металлами группы A³.

Известна установка для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках, включающая вакуумную камеру, в которой размещены исполнительный орган манипулятора в виде механизма с зубчатой передачей. На конце рабочего органа механизма размещен подложкодержатель для закрепления монокристаллических подложек. В стенке корпуса вакуумной камеры смонтированы эффузионные ячейки, из которых осуществляется подача компонентов роста в вакуумную камеру. В эффузионных ячейках происходит испарение металлов группы A³, а также твердых источников примесей (Mg, Si). В установке осуществляется радиационный (инфракрасный) нагрев подложки, см. "Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры" под редакцией Л.Ченга и К. Плота, М.: Мир, 1989, с. 170 (копия ссылки прилагается).

Внутри вакуумной камеры вблизи ее корпуса имеются экраны с азотным охлаждением, выполняющие роль криогенных насосов, служащих для уменьшения давления остаточных водяных паров. Установка предназначена для выращивания полупроводниковых соединений A³B⁵. Наиболее эффективно она используется для создания соединений A³As. Однако выращивание с ее помощью новых, чрезвычайно важных для современной полупроводниковой техники соединений A³N из аммиака сопряжено со значительными трудностями. При осуществлении нагрева подложки нагреваются и другие поверхности внутри вакуумной камеры: элементы манипулятора, подложкодержатель, поверхность корпуса нагревателя и др. На этих нагретых до температуры свыше 900^oC поверхностях происходит интенсивное разложение аммиака на водород и азот, что резко увеличивает давление в вакуумной камере. Это обусловлено тем, что высоковакуумные турбомолекулярные насосы, применяемые в установках такого рода, откачивают водород значительно хуже, чем другие газы (степень сжатия этих насосов по водороду в тысячу раз ниже, чем по другим газам, например по азоту). Увеличение давления в вакуумной камере приводит к нарушению условий, необходимых для выращивания полупроводниковых соединений.

Известна также установка для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках, включающая вакуумную камеру, в которой размещен исполнительный орган манипулятора в виде поворотной относительно ее продольной оси штанги со съемным подложкодержателем на ее конце; в вакуумной камере также размещена другая штанга, на конце которой размещен нагреватель; штанга нагревателя снабжена механизмом для поступательного перемещения нагревателя в направлении подложки, укрепленной в подложкодержателе; нагреватель содержит корпус, в котором размещен нагревательный элемент; корпус нагревателя снабжен тепловым экраном в виде цилиндрического кольцевого элемента с открытыми торцами, в стенках которого имеются кольцевые полости для подачи охлаждающей жидкости; см. "Установка молекулярной эпитаксии ЭП 12036; Технические условия", Академия наук СССР, Ленинград, 1990, листы 3, 12 и "Техническое описание и инструкция по эксплуатации", Ленинград, 1991, лист 12.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Для выращивания соединений A³N азот поступает в вакуумную камеру в виде потока аммиака. Подача остальных компонентов в вакуумную камеру осуществляется с помощью эффузионных ячеек. В вакуумной камере имеются криогенные насосы.

Наличие теплового экрана нагревателя с системой водяного охлаждения позволяет несколько снизить разложение аммиака в вакуумной камере вне зоны подложки. Однако, ввиду того, что большинство элементов внутри вакуумной камеры (подложкодержатель, исполнительный орган манипулятора, штанга нагревателя и др.) не имеют теплового экрана, происходит интенсивное разложение аммиака на поверхностях этих элементов, нагретых до высоких температур в процессе работы установки. В результате этого возрастает давление в вакуумной камере, что нарушает условия выращивания эпитаксиальной полупроводниковой структуры и приводит, как следствие, к резкому ухудшению ее качества.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такой установки для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках, которая позволила бы повысить качество полупроводниковых соединений за счет уменьшения разложения аммиака в вакуумной камере.

Согласно изобретению это достигается за счет того, что в установке для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках, включающей вакуумную камеру, в которой размещены исполнительный орган манипулятора в виде поворотной относительно ее продольной оси штанги со съемным подложкодержателем, нагреватель, содержащий корпус с размещенным в нем нагревательным элементом и тепловой экран с полостями в его стенках для подачи охлаждающей жидкости, нагреватель установлен на свободном конце поворотной штанги, а съемный подложкодержатель размещен на корпусе нагревателя с зазором относительно нагревательного элемента, тепловой экран нагревателя с полостями в его стенках выполнен в виде двух стаканов, охватывающих со всех сторон нагреватель с подложкодержателем и снабженных стержнями, поворотными относительно осей, перпендикулярных продольной оси штанги манипулятора, в стержнях выполнены каналы для подачи и отвода охлаждающей жидкости, которые сообщены с полостями в стенках стаканов теплового экрана, при этом в днище стакана, расположенного со стороны подложкодержателя, выполнено окно, сообщающее подложку с вакуумной камерой.

Заявителем не обнаружены какие-либо технические решения, идентичные заявленному изобретению, что позволяет, по его мнению, сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения) обусловливает важное новое свойство (технический эффект) объекта, заключающееся в практически полной теплоизоляции элементов, нагретых в процессе работы установки, относительно полости вакуумной камеры, содержащей аммиак, при обеспечении возможности маневрирования подложкодержателем в воде и извлечении его из вакуумной камеры вне процесса выращивания полупроводниковой структуры. То есть, тепловой экран становится подвижным, что и позволяет добиться указанного выше эффекта и, в конечном счете, значительно уменьшить разложение аммиака вне зоны подложки в вакуумной камере. Благодаря этому предотвращается повышение давления в вакуумной камере и обеспечивается необходимое качество выращиваемой полупроводниковой структуры. Указанные соображения позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии настоящего технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:

на фиг. 1 - общий вид установки в разрезе;

на фиг. 2 - кинематическая схема, поясняющая работу подвижных элементов установки, в положении, когда осуществляется прием или снятие подложкодержателя с корпуса нагревательного элемента;

на фиг. 3 - то же, что на фиг. 2; штанга повернута на 90^o для приведения установки в положение, при котором осуществляется выращивание полупроводниковой структуры.

Установка для выращивания эпитаксиальных полупроводниковых структур на монокристаллических подложках 1 включает вакуумную камеру 2, в которой размещены исполнительный орган манипулятора в виде поворотной относительно ее продольной оси штанги 3, съемный подложкодержатель 4 и нагреватель, который включает корпус 5 и размещенный в нем нагревательный элемент 6. Корпус нагревателя 6 жестко соединен со свободным концом поворотной штанги 3. Съемный подложкодержатель 4 размещен на корпусе 5 нагревателя с некоторым зазором относительно нагревательного элемента 6. В конкретном примере съемность подложкодержателя 4 относительно корпуса 5 нагревателя обеспечивается с помощью известного разъемного соединения типа "байонет". Тепловой экран нагревателя выполнен в виде двух стаканов 7 и 8, обращенных открытыми торцами друг к другу и охватывающих со всех сторон нагреватель с установленным на нем подложкодержателем. В стенках стакана 7 имеется полость 9, а в стенках стакана 8 - полость 10. Полости 9 и 10 предназначены для подачи охлаждающей жидкости, в данном примере воды. Стакан 7 жестко соединен со стержнем 11, а стакан 8 - со стержнем 12. Стержни 11 и 12 имеют возможность поворота относительно осей, перпендикулярных продольной оси штанги 3. Поворот стержней 11 и 12 со стаканами 7 и 8 на нижних концах осуществляется с помощью отдельных независимых друг от друга механизмов качания обычного типа, герметизированных относительно вакуумной камеры 2 (на чертежах условно не показаны). В стержне 11 имеются продольные каналы 13 и 14, соответственно, для подачи и отвода воды из полости 9 стакана 7. В стержне 12 выполнены каналы 15 и 16 для подачи и отвода воды из полости 10 стакана 8. В днище стакана 7 выполнено окно 17, сообщающее подложку 1 с вакуумной камерой 2. В вакуумной камере 2 размещены эффузионные ячейки 18. Подача аммиака в камеру 2 осуществляется через газовый ввод 19, а остальных компонентов для выращивания соединений типа A³N - через эффузионные ячейки 18. В вакуумной камере 2 расположены криогенные насосы 20 и 21, представляющие собой емкости, в которые подается жидкий азот. Поворот штанги 3 относительно ее продольной оси осуществляется с помощью механизма 22.

Устройство работает следующим образом.

Подложку 1, выполненную в конкретном примере из монокристалла Al₂O₃, укрепляют в подложкодержателе 4. Через вакуумный шлюз, сопряженный с вакуумной камерой 2 (на чертежах шлюз условно не показан) подложкодержатель 4 с подложкой 1 вводят с помощью наружного манипулятора (на чертежах не показан) в вакуумную камеру 2. При этом штанга 3 повернута в положение по фиг.2, а стержни 11 и 12 со стаканами 7 и 8 разведены в разные стороны. Затем подложкодержатель 4 размещают на корпусе 5 нагревателя, сопрягая его с корпусом 5 посредством соединения типа "байонет"; штангу 3 поворачивают относительно продольной оси с помощью механизма 22 и приводят в положение, изображенное на фиг.3. После этого поворачивают стержни 11 и 12 со стаканами 7 и 8 и приводят установку в положение, соответствующее фиг.1; при этом стаканы 7 и 8 охватывают нагреватель с подложкодержателем со всех сторон. Открытой остается только подложка 1, которая сообщается с вакуумной камерой 2 посредством окна 17, выполненного в днище стакана 7. Для выращивания эпитаксиальной полупроводниковой структуры, в конкретном примере GaN, через газовый ввод 19 в вакуумную камеру 2 подают аммиак. При этом подложка 1 нагрета до заданной температуры с помощью нагревателя. Из эффузионных ячеек 18 в вакуумную камеру 2 подают Ga в газообразной фазе. На нагретой подложке 1 аммиак разлагается на азот и водород. Часть азота реагирует с Ga, образуя слой GaN на монокристаллической подложке из Al₂O₃. Криогенные насосы 20 и 21 обеспечивают требуемый вакуум в камере 2 за счет намораживания на их поверхности части аммиака, не разложившейся на поверхности подложки 1.

Для охлаждения стаканов 7 и 8 в их полости 9 и 10 подают холодную воду по каналам 13 и 15 и отводят нагретую воду по каналам 14 и 16, выполненным в стержнях 11 и 12, соответственно. Таким образом, нагреватель и подложкодержатель экранированы относительно полости вакуумной камеры 2. Благодаря этому разложение аммиака происходит, преимущественно, на поверхности подложки 1, что значительно уменьшает объем водорода и азота в камере 2 и, соответственно, давление в этой камере.

Установка изготовлена, в основном, из нержавеющей стали в обычных заводских условиях. Благодаря ее использованию значительно повышается качество получаемых полупроводниковых соединений азота с металлами группы A³. По мнению заявителя, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".