Устройство для вакуумного напыления пленок

Устройство для вакуумного напыления пленок

Реферат

Изобретение относится к технике получения пленок в вакууме и может быть использовано для эпитаксиального выращивания слоев при изготовлении полупроводниковых приборов, устройств интегральной оптики, при нанесении функциональных покрытий из металлов и кремния и т.п.

Изобретение относится к технике получения пленок в вакууме и может быть использовано для эпитаксиального выращивания слоев при изготовлении полупроводниковых приборов, устройств интегральной оптики, при нанесении функциональных покрытий из металлов и кремния и т.п.

Одним из методов, применяемых для выращивания эпитаксиальных слоев, является метод, основанный на сублимации напыляемого материала путем резистивного нагрева в вакууме при давлении ~10^-8 Торр. По сравнению с другими известными методами эпитаксиального выращивания, основанными на испарении материала из его расплава в тигле в вакууме ~10^-10 Торр (метод молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием твердотельных источников) или на использовании газового потока напыляемого материала, вводимого в вакуумную камеру (метод молекулярно-лучевой эпитаксии с газовыми источниками), метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием резистивного нагрева испаряемого материала обладает рядом преимуществ. Этот метод в отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием твердотельных источников не требует использования сверхвысокого вакуума (~10^-10 Торр), а реализуется в высоком вакууме (~10^-8 Торр), не требует частой дозагрузки в тигель испаряемого материала, позволяет получать слои, не содержащие микрокапель. Существенным преимуществом сублимационного метода перед методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием газовых источников является возможность выращивания более совершенных по структуре слоев, поскольку рост слоя осуществляется в более глубоком вакууме.

Известны устройства для вакуумного напыления пленок, основанные на сублимации испаряемого материала при резистивном нагреве. Основными элементами этих устройств являются помещенные в вакуумную камеру источник напыляемого материала и подложкодержатель с подложкой, на которую наносится пленка; при этом напыляемый материал помещен в металлическую емкость, соединенную с токовводами, которые подключены к источнику тока, расположенному вне вакуумной камеры (например, US 2008193644 А1, 2008.08.14).

При сублимации напыляемого материала из емкости, выполненной из другого материала, нежели подлежащий напылению, может испаряться и материал емкости из-за его разогрева, что может загрязнить поток испаряемого материала и в конечном счете привести к формированию дефектной структуры напыляемого слоя, поэтому для выращивания структур из кремния было предложено в качестве испарителя использовать брусок кремния, торцы которого закреплены на двух токовводах, которые в свою очередь соединены с источником тока и жестко соединены с корпусом камеры роста (Instruments and Experimental Techniques, v.44, no.5, p.700-703). Использование испарителя в виде бруска кремния, который резистивно нагревается, позволяет исключить загрязнение потока атомов кремния посторонними примесями, а его протяженность позволяет формировать поток равномерной плотности по всей длине источника, что обеспечивает получение однородной по толщине пленки на подложке, расположенной параллельно этому источнику и имеющей размеры, близкие к размерам источника.

Общим недостатком известных устройств для нанесения слоев методом сублимации является неоднородность свойств напыляемых слоев по площади подложки, обусловленная следующими обстоятельствами. Во-первых, площадь потока атомов из сублимирующего источника определяется размерами самого источника и часто не соответствует площади подложки, на которую осаждается этот поток. Во-вторых, необходимость разогрева источника пропусканием тока заставляет значительно ограничить его поперечные размеры для обеспечения однородного разогрева бруска кремния.

Известно использование в технике вакуумного испарения механизмов, позволяющих с помощью сильфонов, соединенных с соответствующим приводом, осуществить перемещение в вакуумной камере тех или иных элементов. Механизмы позволяют осуществить поступательное движение (например, US 5482892 А, 1996.01.09), плоскопараллельное движение (например, RU 2007500 С1, 1994.02.15), а также вращательное движение (например, RU 2115764 С1, 1998.07.20). Однако ни один из известных механизмов не применим для перемещения источника испаряемого материала в установках, реализующих сублимационный метод напыления пленок.

Ближайшим аналогом заявляемой установке является установка, известная по Instruments and Experimental Techniques, v.44, no.5, p.700-703, которая содержит помещенные в вакуумную камеру снабженный токовводами резистивный испаритель напыляемого материала и подложкодержатель и расположенный вне вакуумной камеры соединенный с токовводами источник тока.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение однородности толщины напыляемых слоев и возможность выращивания однородных эпитаксиальных слоев на подложках большой площади.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для вакуумного напыления пленок, содержащем расположенные в вакуумной камере подложкодержатель, резистивный испаритель напыляемого материала, снабженный подключенными к источнику тока токовводами, токовводы подключены к источнику напыляемого материала, соединены между собой изолятором и расположены внутри герметично укрепленного в стенке камеры силъфона, при этом токовводы соединены с приводом для обеспечения качательного движения испарителя напыляемого материала

При этом целесообразно резистивный испаритель напыляемого материала выполнить в виде стержня.

Для обеспечения равномерного качательного движения испарителя желательно в состав привода включить соединенный с электродвигателем кривошипный механизм с кардиноидом.

Для обеспечения качательного движения испарителя можно сильфон открытым торцом закрепить в стенке вакуумной камере, токовводы закрепить на изоляторе в дне стакана, открытый торец которого закреплен в дне сильфона, а стакан шарнирно соединить со стенкой камеры.

Для обеспечения возможности равномерного напыления пленок большой площади целесообразно к источнику тока подключить блок управления током.

Сущность изобретения заключается в придании токовводам дополнительной функции приводного элемента для обеспечения качательного движения испарителя, позволяющего получить высокую однородность напыляемых слоев и возможность выращивания эпитаксиальных слоев равномерной толщины на подложках большой площади.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично представлен один из возможных вариантов устройства.

Устройство содержит вакуумную камеру 1 роста, в которой расположены подложкодержатель 2 для крепления на нем подложки напыляемой полупроводниковой структуры и испаритель 3 напыляемого материала, расположенный на расстоянии h от подложкодержателя 2. В качестве испарителя 3 использован непосредственно напыляемый материал в форме стержня, что обеспечивает равномерный нагрев испарителя 3. При использовании существующих геометрий камер 1 ширина стержня может соотноситься к его длине как 1:10 и более, а длина - превышать соответствующий линейный размер подложки как минимум на 20% в обе стороны.

Испаритель 3 контактно соединен с токовводами 4, подключенными к источнику 5 тока, управляемому блоком 6 управления током. Токовводы 4 выполнены в виде жестких прямых или изогнутых стержней. В представленном на чертеже устройстве токовводы 4 расположены внутри сильфона 7, герметично укрепленного одним из торцов на корпусе камеры 1. Для обеспечения электрической изоляции токовводов 4 друг от друга они закреплены через изолятор 8 на дне стакана 9. Открытый торец стакана 9 закреплен на свободном торце сильфона 7, при этом стакан 9 с помощью шарнира 10 соединен со стенкой камеры 1.

Токовводы 4 соединены с приводом электродвигателя 11 и являются частью приводного механизма, обеспечивающего качательное движение испарителя 3 напыляемого материала. Токовводы 4 могут быть соединены с электродвигателем 11 посредством кривошипного механизма 12, включающего кардиноид (не приведен). Кардиоид обеспечивает равномерное движения токковводов 4 и обеспечивает смену направления движения испарителя 3 на противоположное при приближении последнего к краю подложкодержателя 2 и, следовательно, к краю подложки напыляемой полупроводниковой структуры.

Токководы 4 могут быть соединены с приводом электродвигателя 11 или кривошипного механизма 12 непосредственно или посредством других элементов, в частности, в схему привода может быть включен стакан 9 (см. чертеж).

Режим работы электродвигателя И задается блоком программного управления (не приведен).

Блок программного управления необходим в тех случаях, когда необходимо изготавливать структуры с заданным распределением толщины слоя напыляемого вещества по площади подложки. Программируемое устройство задает испарителю 3 движение по требуемому закону и тем самым реализует желаемое распределение вещества по площади подложки (например, равномерно спадающая к краю подложки толщина слоя материала).

Устройство работает следующим образом.

Включают источник питания испарителя 3 и нагревают его до рабочей температуры, соответствующей требуемой скорости, с которой частицы напыляемого материала поступают на подложку напыляемой структуры. Затем включают электродвигатель 11.

При вращении вала электродвигателя 11 связанный с ним кривошипный механизм 12 с кардиоидом приводит в движение стакан 9, который совершает качательное движение относительно шарнира 8 с постоянной скоростью. При этом связанные со стаканом 9 токовводы 4 с закрепленным на них испарителем 3 также совершают качательное движение в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа.

Испарение материала из испарителя 3 происходит во все стороны, при этом осаждаемые на подложку частицы распространяются в узком телесном угле, определяемом размерами испарителя 3. Выполнение испарителя 3 в виде стержня обеспечивает его равномерный нагрев и, следовательно, одинаковые скорости испаряемых частиц. В то же время вследствие качательного движения испарителя 3 скорости поступления испаряемого материала на подложку отличаются. Скорость V осаждаемых на подложку частиц напыляемого материала определяется углом α отклонения токководов 4 от нормали к поверхности подложки: V=V₀/[1+R(1-cosα)/h₀], где V₀ - скорость частиц в точке движения испарителя 3, максимально приближенной к поверхности подложки, R - длина токоввода 4 от испарителя 3 до шарнира 10, h₀ - расстояние от источника 3 до поверхности подложки в точке движения испарителя 3, максимально приближенной к поверхности подложки.

При использовании испарителя 3 в виде стержня с вышеприведенными размерами толщина осаждаемого на подложку материала на расстоянии d≤0,1·h от нормали, проходящей через центр к поверхности подложки, изменяется незначительно (снижается на не более чем на 1%).

При изготовлении полупроводниковых структур с использованием подложек большой площади (100 мм и более) для получения слоев равной толщины целесообразно выравнять скорость осаждения частиц напыляемого материала. Это достигается программным управлением источника 5 тока с помощью блока 6, изменяющего величину пропускаемого через испаритель 3 тока и, следовательно, температуру испарителя 3 в соответствии с траекторией его движения (пропорционально изменению скорости V).

Приведенный в описании вариант устройства не исчерпывает других возможностей конструктивного объединения его основных элементов с целью обеспечения колебательного движения испарителя напыляемого материала, позволяющего получить сформулированный выше технический результат.

1. Устройство для вакуумного напыления пленок, содержащее расположенные в вакуумной камере подложкодержатель и резистивный испаритель напыляемого материала, соединенный с подключенными к источнику тока токовводами, отличающееся тем, что оно снабжено сильфоном, изолятором и приводом для обеспечения качательного движения резистивного испарителя, при этом токовводы закреплены на изоляторе, расположены внутри сильфона и соединены с упомянутым приводом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит шарнирно соединенный со стенкой камеры стакан, открытый торец которого закреплен в дне сильфона, при этом сильфон открытым торцом герметично закреплен в стенке вакуумной камеры, а токовводы закреплены на изоляторе на дне стакана.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резистивный испаритель напыляемого материала выполнен в виде стержня.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый привод включает соединенный с электродвигателем кривошипный механизм с кардиноидом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено блоком программного управления электродвигателем.