Материал: 1382

86

Они содержат камеру загрузки, пульт управления, печь с автоматикой для программного задания температуры и систему газового питания. Поточные линии (типа АПЛД-24-100), кроме вышеуказанного термического оборудования снабжены системами пылезащиты.

Управление основывается на сигнале с термопары. Термопара представляет собой две сваренные проволоки из разных материалов. Наибольшее распространение получили термопары следующих марок: ХА (хромель-алюмель), ХК (хромель-капель), Pt–Ro (платина-родий), ПП (платина-платинородий). Градуировка термопар проводится измерением термо эдс в кипящей воде.

Диффузанты являются ядами, что требует развития специальных предохранительных мероприятий. Высокая температура процесса ограничивает выбор материалов нагревателей по термостойкости и газовыделению. Перспективным нагревателем до 1500 С является нитрид кремния. Каждый материал имеет допустимую скорость подъема температуры вследствие возникновения температурных напряжений. Для кристаллов безопасная скорость подъема температуры ~20/мин, для стекла

~50/мин.

6.10Эксплуатация и сервисное обслуживание установок нанотехнологии типа Катунь

Установки молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) используется в нанотехнологиях для изготовления пленок и слоистых структур при создании приборов на арсениде галлия (GaAs), легированного различными элементами. К таким приборам относятся лавиннопролетные диоды, переключающие СВЧ-диоды с прыжковой проводимостью, полевые транзисторы с барьером Шоттки, интегральные оптические структуры, одноэлектронные транзисторы. Некоторые из установок МЛЭ: ЦНА, ЭПН- 2, Ангара, Катунь, Riber. Французская фирма «Рибер» выпускает установки MBE-500 и MBE-1000 (Molecular Beam Epitaxy).

Установки принципиально не отличаются и в зависимости от марки оборудованы различными откачными средствами и аналитическим оборудованием.

6.10.1 Вакуумная система установки МЛЭ типа «Катунь»

На рис.6.17 представлена вакуумная схема отечественной установки МЛЭ типа КАТУНЬ.

87

Рисунок. 6.17. – Схема установки МЛЭ. 1 – вакуумный затвор, 2 - магазин, 3 – корпус модуля загрузки, 4 – конвейер, 5 – сильфон, 6 – пневматический шлюз, 7 – камера роста структур, 8 – испарители, 9 – ионный источник, 10 – камера анализа структур, 11 – ОЖЕспектрометр, 12 – квадрупольный массспектрометр, 13 – ВИМС, 14 – дифрактометр

быстрых электронов, – 15 – подложка, 16 – манипулятор.

Предварительно очищенные подложки устанавливаются в магазине модуля загрузки. После откачки загрузочного модуля и камеры роста до давления 10-4Па, подложки по конвейеру через шлюзовое устройство подаются в камеру роста, где захватываются манипулятором. На манипуляторе происходит прогрев подложек до температуры ~ 600° C. Затем давление понижается до 10-8 Па, производится ионная очистка подложки и формирование пленки арсенида галлия. Контроль параметров роста проводится дифрактометром быстрых электронов. В камере анализа проводятся дополнительные исследования полученной пленки и состава газовой среды

На рис. 6.18 представлена вакуумной камеры установки КАТУНЬ.

Рисунок 6.18 – Схема установки МЛЭ: 1 – манипулятор; 2 – вакуумная камера; 3 – криогенные панели; 4 – подложка; 5 – испарители; 6 – электроразрядный насос.

88

Для создания и поддержания вакуума используют магниторазрядные и сублимационные насосы совместно. Откачка до сверхвысокого вакуума с обезгаживанием всей системы длится обычно 20 – 48 ч. Прогрев вакуумной камеры проводится до температуры ~ 150° C. Обезгаживание материалов (в частности мышьяка) выполняют при температуре 250–400° С в специальных нагревательных устройствах.

Отечественные установки для МЛЭ выполняются одно- и многокамерными. Они имеют до 8 молекулярных сменных источников с электропневматическими заслонками. С помощью манипулятора подложка перемещается внутри камеры и вращается вокруг оси, что позволяет выставлять ее не только под молекулярные пучки, но и последовательно устанавливать на позиции контроля. Возможен нагрев подложек до 1000° C. Пределы регулирования температуры источников 300-1300°C с допуском поддержания температуры 1°C. Манипуляторы рабочих камер имеют по 4 степени подвижности, с поворотом вокруг оси на 360°. Погрешность воспроизведения положения подложки при перемещении вдоль одной из координатных осей менее ,1 мм.

Аналитическая камера служит для анализа газовой среды и поверхности подложек. Камера может эксплуатироваться и самостоятельно для анализа различных объектов – в этом преимущество трех камерной установки. На аналитической камере установлены ожеспектрометр и квадрупольный масс-спектрометр с дифференциально откачиваемой сканирующей ионной пушкой. Диапазон регистрируемых массовых чисел 1-1000 а. е. м.

Тигель помещен внутрь электронагревателя и танталового экрана. Ёмкость тигля 1.6 см3. Он может выполняться из графита, пиролитического нитрида бора или карбида бора. Легирующие материалы помещаются в нескольких тиглях, каждый из которых монтируется внутри съемной ячейки и имеет свои блоки питания, контроля температуры и управления. Над источниками молекулярных потоков (ячейками Кнудсена) устанавливается вымораживающая система (криопанель) для уменьшения потока загрязнений.

Через шлюз подложка вводится в камеру для анализов, где: ее поверхность очищают ионной бомбардировкой. Степень очистки контролируется оже-спектрометром и масс-спектрометром. Затем с помощью конвейера подложка перемещается в рабочую камеру и устанавливается в держателе манипулятора для проведения процесса эпитаксии.

6.10.2 ОЖЕспектрометр

Для анализа состава подложек методом ОЖЕспектрометрии используется закономерность отражения низкоэнергетических (~ 100 эВ) электронов от рода материала.

89

На рис. 6.19 представлена схема ОЖЕспектрометра. Подложка располагается под углом к вторичному электронному умножителю (ВЭУ). Электроны, отраженные от поверхности пленки, попадают на ВЭУ и усиливаются. По распределению тока судят о качестве структуры. В установках имеется анализатор для регистрации медленных электронов с энергией от 10 до 1000 эВ. В ряде случаев облучение полученной пленки проводят электронами с энергией 1—12 кэВ. В этом случае используют сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Рисунок 6.19 – Схема регистрации вторичных электронов: 1 – объект; 2 – поток электронов; 3 – вторичные электроны; 4 – сетка; 5 – сцинтиллятор; 6

– изолятор; 7 – световод; 8 – ФЭУ; 9 – высоковольтный ввод.

Удары электронов с энергией 10-12 кэВ о поверхность сцинтиллятора вызывают световые вспышки. Световые кванты через световод передаются в ФЭУ, который преобразует их в электрические сигналы.

6.10.3 Молекулярные источники

На рисунке 6.20 изображен типовой источник молекулярного потока. Тигель 4 из нитрида бора разогревается электрическим током, проходящим по танталовой проволоке 3, продетой в сапфировые капиллярные трубки. Многослойные экраны 1 из танталовой фольги толщиной 0,12 мм экранируют тигель так, что для поддержания температуры 1210°C требуется мощность всего 26 Вт.

90

Рисунок 6.20 – Схема испарителя: 1 – экран; 2 – ввод нагревателя; 3 – нагреватель; 4 – тигель; 5 – испаряемый материал; 6 – термопара; 8 – привод заслонки

Спираль нагревателя тигля изготовлена из молибдена. Тигель выполнен из пиролитического нитрида бора. Тепловые экраны выполнены из тантала.

6.10.4 Манипулятор

Манипулятор служит для захвата подложки и удержания ее на период формирования структуры. На рис. 6.21 представлена схема манипулятора.

Рисунок 6.21 – Устройство манипулятора: 1 – нагреватель; 2 – термопара; 3

– втулка; 4 – магнитный привод вращения; 5 – сильфон; 6 – монтажный фланец; 7 – держатель; 8 – нагреватель подложки; 9 – захватчик подложки; 10 – подложка.