Источник молекулярных пучков

(5)5 С 30 В 23/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ние ки рмы "Чб(21) 4713734/26(54) ИСТОЧНИК МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКОВ (57) Изобретение относится к тонкопленочной технологии, может быть использовано в Изобретение относится к тонкопленочной технологии, молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), и может быть использовано в научных исследованиях, связанных с разработкой новых материалов и технологий для микроэлектроники.Источник молекулярных пучков (ИМП) является одним из основных узлов установки молекулярно-пучковой эпитаксии. Из него происходит эффузия требуемого вещества для получения полупроводниковых пленок, Качество получаемых полупроводниковых пленок во многом определяется концентрацией неконтролируемых примесей, испускаемых как самим источником, так и под его воздействием. Одним из путей, снижающим уровень этой концентрации является снижение мощности, потребляемой ИМП, что в существенной мере определяется степенью термоизоляции ИМП, Термоизоляция ИМП необходима еще и потому, что конструктивно ИМП проходит через криопанель, окружающую ростовой обьем,.З 2 1705426 А 1 микроэлектронике и обеспечивает повышение надежности работы источника и улучшение качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева. Источник содержит тигель, установленный коаксиально нагреватель и два цилиндрических экрана. Экраны соединены герметично, а полость между ними соединена с патрубком для ввода хладагента, Между экранами по спирали размещены трубки, концы которых с одной стороны выполнены открытыми, а с другой соединены с коллектором для отвода хладагента. 2 ил. Ближайшим из известных является источник молекулярных пучков для установок молекулярно-пучковой эпитаксии, содержащий тигель из пиролитического нитрида бора, нагреватель и систему термоизоляции с охлаждаемым экраном. В указанной конструкции в качестве хладагента используется вода, которая циркулирует по бифилярной трубке, навитой в виде спирали и размещенной между двумя металлическими цилиндрами. Введение жидкостноохлаждаемого экрана (помимо танталовых) момент является наиболее эффективным способом экранирования,Однако в известной конструкции площадь касания трубкой, охлаждаемой водой, внутреннего цилиндра очень мала, поэтому для достаточно эффективного охлаждения необходимо увеличивать поток проходящей воды, учитывая малое сечение трубки, повышать давление воды в ней (порядка 5 атм), Использование такого давления накладывает жесткие требования на саму трубку(проч 1705426ность, непроницаемость для 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 для получения нужной длины), и формирование в виде биспирали, Пространство между двумя цилиндрами, где размещена трубка, является вакуумным "карманом", который служит источником неконтролируемых примесей.Цель изобретения - повышение надежности работы источника и улучшение качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева.Укаэанная цель достигается тем, что в известном ИМП, содержащем тигель иэ пиролитического нитрида бора, нагреватель и два цилиндрических теплоизолирующих экрана, в пространстве между которыми расположены по спирали трубки для хладагента, теплоизолирующие экраны с одной стороны герметично соединены между собой, а с другой стороны приварены к цоколю, внутри которого находится коллектор для вывода хладагента, при этом концы трубок со стороны соединения экранов между собой открыты, а с другой стороны соединены с коллектором,Таким образом, в охлаждаемый экран вместо одной бифилярной трубки вводится несколько спирально-изогнутых трубок, размещенных между двумя металлическими цилиндрами, при этом пространство между этими цилиндрами является герметичным по отношению к наружному пространству. Трубки размещаются между этими цилиндрами и с одной стороны входят в цоколь, обрываясь в выходном коллекторе, который размещен внутри цоколя. Противоположные концы трубок являются открытыми и оканчиваются вблизи соединения экранов между собой. Кроме этого, в цоколе имеется патрубок для ввода хладагента. В предлагаемой конструкции хлада- гент циркулирует по всему пространству, заключенному между двумя металлическими цилиндрами (как в пространстве между трубками, так и по трубкам), полностью омывая всю поверхность внутреннего цилиндра, на который падает тепловой поток от нагревателя,Предлагаемая конструкция позволяет увеличить поверхность, охлаждаемчю хладагентом; уменьшить плотность потс .а тепловой энергии на поверхность криопанели, окружающей ростовой обьем, что улучшит качество выращиваемых пленок; снизить требования к вакуумной плотности трубок;5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сократить длину трубки более, чем в 6 раз: устранить вакуумный карман; уменьшить общую поверхность в вакууме.Иа фиг, 1 представлен источник, поперечное сечение; на фиг, 2 - аксонометрическое изображение,Источник содержит тигель 1 иэ пиролитического нитрида бора, вокруг которого коаксиально установлены нагреватель 2. 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 одна, попавшая в плоскость сечения), В нижней части охлаждаемого экрана 4 имеется внутренняя полость А, служащая для равномерного распределения хладагента по периметру экрана. Поступая через входной патрубок 6 хладагент поднимается. заполняя весь внутренний объем и дальше через открытые концы трубок 5 вытекает иэ охлаждаемого экрана 4 (направление течения хладагента показано стрелками), Экран 4 выполнен в виде металлических цилиндров 7 и 8, присоединенных с одного торца к цоколю 9. а с другого - соединяются между собой. В пространстве между цилиндрами 7 и 8 размещены трубки 5. С одной стороны трубки 5 соединены с цоколем 9, так, что открытые концы находятся в полости Б, являющейся выходным коллектором, Патрубок 6 для ввода хладагента проходит насквозь через цоколь и оканчивается в и ространстве А в нижне части между цилиндрами 7 и 8, Пространство А служит для равномерного распределения поступающего хладагента по окружности охлаждаемого экрана 4,Источник работает следующим образом.В тигель 1 загружается требуемое вещество и ИМП размещается в ростовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии (не показана). Тигель 1 нагревается до требуемой температуры нагревателем 2, Поток тепла, проходящий через танталовые экраны 3, поглощается охлаждаемым экраном 4, Хладагент поступает по патрубку 6 в пространство А, поднимается в пространстве между цилиндрами 7, 8 и трубками 5 и, омывая нагреваемую поверхность цилиндра 8, нагревается. Нагретый хладагент поступает в полость Б через открытые 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 подбираются таким образом, чтобы в систе 170542540 45 50 55 ме су цествовал постоянный "подпор" хладагента, Расчет показывает, то охлаждения источника, выделяющего мощность 300 Вт, вполне достаточно перепада давления на входе и выходе не более 05 атм. при этом протекающая вода нагреваетсч не бо лее, чем на 10 С,При использовании предлагаемои конструкции повышается надежность работы ИМП, так как для подачи хладагеп а используется низкое давление (не более 0,5 а, м), и применяются трубки без сварных швов (по оценке длина трубок порядка 1 м). В предлагаемой конструкции источника, охлаждаемой непосредственно оказываегся вся поверхность внутреннего и внешнего цилиндров. Если принять, что касание трубки с внутренним цилиндром у прототипа происходит по линии толщиной 1 мм (на самом деле гораздо меньше), о тогда при плотной упаковке биспиральной трубки у прототипа площадь, охлаждаемая непосредс;венно хладагентпм в изобретении оказывается в О раз больше, чем у прототипа (где О диаметр трубки, выраженный в мм). Кроме этого, поверхность на которую падает поток энергии от нагревателя, отдалена от хладагента только толщиной внутреннего цилиндра, а у прототипа - толщиной внутрен его цилиндра плю- толшиной стенки трубки т.е, коэффициент теплопередачи у предлагаемого источника не менее, чем в 2 раза больше, Указаннье обстоятельсгва приводят к резкому возрастанию эффективности теплосьема (не менее, чем в 2 с 1 раза). т е. отпадает необходимость в применении высокого давления для подачи хладагента.Резкое возрастание эффективности теплосьема позволяет использовать в качестве материала для металлических цилиндров не тантал, а значительно более дешеьую нержавеющую сталь без ухудшения вакуум - ных условий.Использование охлаждаемого экрана резко снижает тепловую нагрузку на криопанель ростовой камеры МПЭ,;то приведет к значительному сокращению потребления жидкого азота (по оценке в 10 раэ) на установке МПЭ.Величина концентрации так называемой фоновой примеси полупроводниковых структур, получаемых с помощью МПЭ. определяет параметры приборов, изготавливаемых из этих структур. Так, например, снижение этой величины с 10 см до15 5 1 г 1 15 20 ) 5 30 35,14 310 см, достигнутое в последнее время, позволилп увеличить верхний предел рабочих частот НЕ МТ-транзисторов 10-100 ГГц.Источниками фоновой примеси могут служить как примеси уже находящиеся в испаряемом веществе, так и примеси, содержащиеся в атмосфере остаточных газов, Величина эта является неконтролируемой и зависит от многих факторов, в т,ч. от следующих причин; наличия труднооткачиваемых обьемов, так называемых вакуумных "карманов"; материалов, из которых изготовлены детали ростового обьема установки МГЭ; температуры, при которой находятся детали и узлы ростового объема,Детали ИМП в процессе режима роста нагреваются до высоких температур (до 1500 К), Поэтому применение охлаждаемого экрана, герметичного по отношению к ростовому обьему, исключает наличие одного из источников неконтролируемых примесей ввиду отсутствия вакуумного "кармана".Вследствие того, что в предлагаемом решении по крайней мере в б раз увеличивается поверхность, омываемая хладагентом. температура этой поверхности уменьшается, а значит, десорбация атомов и молекул с этой поверхности будет меньше, что также приведет к снижению общей концентрации фоновой примеси и, как следствие, к возможности создания полупроводниковых структур с большей подвижностью носителей. а значит, рассчитанных на использование больших рабочих частот (в ы ше 10 ГГц). Формула изобретения Источник молекулярных пучков для установок молекулярно-лучевой эпитаксии, содержащий тигель из пиролитического нитрида бора, установленные коаксиально ему нагреватель и два экрана с размещенными между ними по спирали трубками для хладагента, о т и и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности работы источника и улучшения качества выращиваемых пленок за счет более эффективного охлаждения и уменьшения поверхности нагрева, экраны герметично соединены между собой с образованием полости, к которой присоединен патрубок для ввода хладагента,и снабжены коллектором для вывода хладагента, концы трубок с одной стороны соединены с этим коллектором, а с другой стороны выполнены открытыми.1705426 б Фиг 2 едактор М, Товтин ректор М. Кучерявая иэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж ул. Гагарина, 101 Заказ 71 ВНИИПИ оставитель Ю. Санфировехред М.Моргентал Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5