Сверхвысоковакуумиые установки для молекулярно-лучевой эпитаксии

Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии разделяют на однои многокамерное.

Однокамерные установки (рис. 17.1) состоят из вакуумной рабочей камеры со средствами откачки, блока молекулярных источников, устройства нагрева подложек, ионной пушки для подготовки поверхности подложек, оже-спектрометра для анализа структуры поверхности подложек и выращенной эпитаксиальной пленки, а также устройств загрузки подложек в рабочую камеру, юстировки ее положения и разгрузки.

Процесс наращивания эпитаксиального слоя осуществляется в определенной последовательности. Предварительно перед загрузкой на подложкодержатсле закрепляют расплавом индия, галлия, висмута или механическими прижимами подложку. Затем при атмосферном давлении в рабочей камере иодложкодержатель устанавливают на держатель прецизионного манипулятора. Создание сверхвысокого вакуума и обезгаживание всей системы обычно длится 20…48 ч при температуре 250…400 °С.

При комбинированной тепловой и ионной обработке поверхности подложек, одновременно методами дифракции быстрых электронов и оже-спектрометрии контролируют их структуру и химический состав на атомарном уровне.

Рис. 17.1. Схема сверхвысоковакуумной однокамерной установки для молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — рабочая камера; 2 — блок молекулярных источников; 3 — молекулярный источник; 4 — привод заслонки; 5 — криопанель блока молекулярных источников; 6 — пушка для дифракции быстрых электронов; 7 — оже-спектрометр; 8 — ионная пушка для очистки поверхности подложек; 9 — квадрупольный массспектрометр; 10 — держатель подложек прецизионного манипулятора; 11 — подложка; 12 — флуоресцентный экран для дифракции быстрых.

электронов.

Тепловую обработку подложек выполняют косвенным нагревом, а ионную — с помощью ионной пушки. Для осаждения эпитаксиального слоя молекулярный пучок вещества направляют на подложку, нагретую до определенной температуры. Одновременно квадрупольным масс-спектрометром контролируют плотность и химический состав молекулярного пучка, а методом дифракции быстрых электронов с оперативной оценкой сглаживания поверхности подложки в начале наращивания — кристаллогеометрию растущего слоя. После окончания процесса эпитаксии на участке подложек площадью 1…2см² контролируют методом вторично-ионного масс-спектрометрического анализа распределения примесных атомов.

После разгерметизации рабочей камеры и выдвижения манипулятора снимают подложкодержатель с подложкой.

Многокамерные установки для молекулярно-лучевой эпитаксии являются более современным оборудованием для выращивания и исследования тонкопленочных структур.

К преимуществам многокамерных установок относятся:

• — высокая производительность технологического процесса эпитаксиального роста за счет установившихся вакуумных условий в камере роста и проведения операций предварительной и финишной очистки подложки в других камерах;
• — стабильность и надежность работы аналитических приборов за счет исключения взаимодействия чувствительных поверхностей аналитической аппаратуры с материалами, испаряемыми молекулярными источниками во время проведения процесса эпитаксии;
• — возможность использования различных физикохимических воздействий для подготовки поверхностей подложек;
• — увеличение производительности оборудования за счет одновременного произведения различных операций в отдельных камерах.

Известные многокамерные установки для молекулярнолучевой эпитаксии отличаются друг от друга по компоновке, составу и конструкции отдельных устройств.

На рис. 17.2 представлен внешний вид и структурнокомпоновочная схема многокамерной установки для молекулярно-лучевой эпитаксии с системой транспортирования через вакуумные камеры.

Установка выполнена в виде двух модулей: аналитического и технологического, представляющих собой функционально законченные единицы, имеющие полный комплект устройств и средств для выполнения операций.

б).

Рис. 17.2. Сверхвысоковакуумная многокамерная установка для молекулярно-лучевой эпитаксии: а) — внешний вид; б) — структурнокомпоновочная схема). 1 — передающий манипулятор; 2 — камера загрузки; 3 — шиберные затворы; 4 — аналитический модуль; 5 — технологический модуль.

Вакуумные объемы модулей соединяются между собой с помощью сильфонного переходника и могут изолироваться вакуумным шибером.

В состав аналитического модуля входят вакуумная камера с системой предварительной и сверхвысоковакуумной откачки, прецизионный манипулятор, камера загрузки с передающим манипулятором и вакуумный щибср. Вакуумная камера аналитического модуля содержит ионную пушку для очистки подложек, прецизионный манипулятор и оснащена различными методами анализа поверхности.

Камера загрузки имеет люк для загрузки подложек, смотровое окно и несколько фланцев для размещения различных устройств (электронной пушки для обезгаживания подложек, нагревательного устройства, клапана для обезгаживания подложек, нагревательного устройства, клапана для напуска газа и др.).

Передающий манипулятор обеспечивает перемещение и передачу подложек из камеры загрузки в аналитическую и ростовую камеры и обратно.

Сверхвысоковакуумная система аналитического модуля состоит из сублимационного титанового насоса с азотной криопанелью и магниторазрядного насоса, которая обеспечивает предельный вакуум ~ 110 ^s Па и скорость откачки ~ 2• 10³ л/с.

Система предварительной откачки включает два адсорбционных цеолитовых насоса и механический насос с сорбционной ловушкой.

Для откачки камеры загрузки до вакуума ~ М О'⁵ Па применяются магниторазрядный насос, диффузионный насос с азотной ловушкой и механический насос.

Аналитический модуль обеспечивает выполнение следующих операций:

• — загрузку и выгрузку подложек, перемещение и передачу их в камеру анализа;
• — обезгаживание подложек;
• — контроль химического состава тонкопленочных структур и поверхности подложек методом электронной ожеспектрометрии;
• — исследование структур методом дифракции медленных электронов;
• — исследование структур и поверхности подложек вгорично-ионным масс-спектрометрическим методом;
• — юстировку положения подложки с помощью сверхвысоковакуумного манипулятора.

В состав технологического модуля входят: технологическая камера со сверхвысоковакуумной системой откачки, блок молекулярных источников, прецизионный манипулятор с держателем и устройством нагрева, вакуумный шибер, а также системы анализа на основе квадрупольного масс-спектрометра и дифрактометра быстрых электронов.

Технологическая камера расположена горизонтально. На одном из фланцев установлен блок молекулярных источников, на другом фланце — сублимационный насос, в центре которого установлен прецизионный манипулятор. Снизу камеры присоединен магниторазрядный насос НМД-1,0. Фланцы на цилиндрической поверхности камеры служат для монтажа приборов анализа и вакуумного шибера. Предусмотрена возможность установки передающего манипулятора.

Сверхвысоковакуумная система состоит из сублимационного насоса с азотной криопанелью и магниторазрядного насоса НМД-1,0 и обеспечивает предельный вакуум 110 ^s Па и скорость откачки около 10⁴л/с.

Предварительная откачка технологической камеры производится за счет вакуумной системы аналитического модуля.

Горизонтальный блок молекулярных источников состоит из восьми источников, расположенных в несколько рядов под углом к горизонту в пределах от 8° до 24°.

Технологический модуль обеспечивает:

• — управление процессом эпитаксиального роста полупроводниковой структуры;
• — контроль структуры подложек и пленок в процессе роста методом дифракции быстрых электронов;
• — контроль химического состава пучков и спектра остаточных газов в камере методом квадрупольной массспектрометрии;
• — температуру нагрева молекулярных источников до 1250 °С с точностью регулирования + 0,5 °С.

Также разработана модификация установки для молекулярно-лучевой эпитаксии с двумя передающими манипуляторами. При такой компоновке второй передающий манипулятор устанавливается на технологическую камеру, что обеспечивает уменьшение длины хода первого манипулятора, проведение операций одновременно в обоих камерах и сокращение потерь времени на загрузку и выгрузку подложек.

Стремление к повышению производительности оборудования путем совмещения технологических операций во времени и повышению надежности, благодаря упрощению маршрутизации, привело к созданию сверхвысоковакуумных технологических комплексов.

Один из вариантов комплекса — магистрально-модульный комплекс для молекулярно-лучевой эпитаксии представлен на рис. 17.3.

Комплекс предназначен для получения в условиях сверхвысокого вакуума методами молекулярно-лучевой эпитаксии, электронно-лучевого испарения и ионно-лучевого осаждения:

• — полупроводниковых структур (Si, Ge соединений А^ШВ A^1IB^VI, A^IVB^VI);
• — металлических и диэлектрических покрытий, магнитных

слоев;

— пленок субмикронных толщин с любым профилем легирования, а также многослойных периодических структур (свсрхрешеток), которые не могут быть синтезированы традиционными технологиями.

В состав комплекса входят модули: подготовки подложек; молекулярно-лучевой эпитаксии; получения диэлектрических покрытий и металлизации.

Каждый технологический модуль соединяется с магистральным транспортером посредством шиберного затвора, что.

Рис. 17.3. Сверхвысоковакуумный магистрально-модульный комплекс для молекулярно-лучевой эпитаксии: а) — внешний вид; б) — структурно — компоновочная схема: 1 — магистральный транспортер; 2 — модуль загрузки; 3 — кассета с подложками; 4 — каретка транспортера; 5 — шиберные затворы; 6 — передающие манипуляторы; 7 — модуль подготовки подложек; 8 — модуль молекулярнолучевой эпитаксии; 9 — модуль получения диэлектрических покрытий и металлизации; 10 — модуль выгрузки.

позволяет полностью разделить вакуумные рабочие объемы в процессе транспортирования и передачи подложек, проводить операции их загрузки и выгрузки параллельно с выполнением основных операций.

Магистральный транспортер выполнен в виде секций, герметично соединенных между собой и образующих вакуумный канал параллельно технологическим камерам, расположенными в линию. Внутри канала по направляющим перемещается каретка, несущая одну или две подложки. Передача подложек с каретки транспортера в технологический модуль, в кассетунакопитель или обратно осуществляется с помощью передающих манипуляторов, установленных на каждой транспортной секции. На крайних (загрузочных) секциях установлены устройства для загрузки и выгрузки кассетной с 10 подложками.

Рис. 7.4. Пылезащитный нодложкодержатель.

С целью снижения загрязнений, привносимых на подложки в вакуумнотранспортных системах оборудования, последние могут быть установлены в пылезащитных подпожкодержателях (рис. 17.4), которые открываются только на позициях обработки и контроля.

Вакуумный транспортер снабжен агрегатами вакуумной откачки на позициях загрузки и выгрузки и магниторазрядными вакуумными насосами, расположенными на каждой секции.

Магистрально-модульный принцип конструкции комплекса обеспечивает возможность наращивания его модулями другого функционального назначения, реализовать различные варианты компоновки модулей в зависимости от поставленных задач.

Помимо разработанного варианта магистральномодульного комплекса для молекулярно-лучевой эпитаксии, существует вариант комплекса, обслуживаемого вакуумным роботом (рис. 17.5).

Установка обеспечивает: предельное остаточное давление в камере робота составляет 1,33−10' Па количество обслуживаемых технологических камер — 3; количество степеней подвижности робота — 3; перемещение исполнительного органа робота осуществляется в пределах 0…750лш; количество кассет — 2; диаметр транспортного канала — 125 мм.

Рис. 17.5. Вакуумный робот с процессорным; управлением.

При небольшом числе операций сверхвысоковакуумный роботизированный комплекс молекулярно-лучевой эпитаксии выполняется с центральной камерой и одним функциональным роботом, выполняющим все необходимые транспортные и загрузочные перемещения кассет с подложками, включая обслуживание загрузочной и разгрузочной камер (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Сверхвысоковакуумный роботизированный комплекс для молекулярно-лучевой эпитаксии: а) — внешний вид; б) — структурно-компоновочная схема. 1 — технологические камеры; 2 — центральная транспортная камера; 3 — шиберный затвор; 4 — вакуумный робот; 5 — шлюзовое загрузочное устройство; 6 — шлюзовое разгрузочное устройство.