Aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor.

Aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor que comprende un sustrato cubierto por una capa de material,

comprendiendo además dicho dispositivo:

- una cámara de crecimiento (1) que rodea un área de procesado (2), comprendiendo dicha cámara de crecimiento (1) una pared lateral (3), una pared inferior (4) y una pared superior (5), presentando cada una de ellas una superficie interior,

- un panel criogénico principal que tiene al menos una parte lateral (10) que cubre la superficie interior de dicha pared lateral (3),

- un soporte de muestras (6) apto para soportar dicho sustrato, comprendiendo dicho soporte de muestras (6) unos medios de calentamiento,

- por lo menos una celda de efusión (8) apta para evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos,

- un inyector de gas (9) apto para inyectar en el interior de la cámara de crecimiento (1) un precursor gaseoso, siendo una parte de dicho precursor gaseoso apta para reaccionar con los átomos o moléculas evaporados de elementos o compuestos sobre la superficie del sustrato para formar la capa,

- unos medios de bombeo (11) conectados a la cámara de crecimiento (1) y aptos para proporcionar capacidad de alto vacío,

- un recinto de aislamiento (14) que cubre al menos las superficies interiores de las paredes (3, 4, 5) de la cámara de crecimiento, comprendiendo dicho recinto de aislamiento (14):

- unas partes frías que tienen una temperatura Tmin inferior o igual al punto de fusión del precursor gaseoso, comprendiendo dichas partes frías del recinto de aislamiento (14):

- dicha parte lateral (10) del panel criogénico principal que cubre la superficie interior de la pared lateral (3), y

- una parte inferior del panel criogénico principal (23) que cubre la superficie interior de la pared inferior 35 (4), estando dicha parte inferior del panel criogénico principal (23) provista de un primer orificio (24) para la celda de efusión (8), y un segundo orificio (25) para el inyector de gas (9), y

- unas partes calientes que tienen una temperatura Tmax superior o igual a una temperatura en la que la tasa de desorción de dicho precursor gaseoso en dichas partes calientes es al menos 1000 veces 40 mayor que la tasa de adsorción de dicho precursor gaseoso, comprendiendo dichas partes calientes del recinto de aislamiento (14):

- dicha celda de efusión (8), y

- dicho inyector de gas (9), comprendiendo dicho inyector de gas (9) unos medios de calentamiento, caracterizado porque comprende un panel secundario criogénico (7) y dicha parte lateral del panel criogénico principal (10) que tiene un extremo superior (28), comprendiendo dichas partes frías del recinto de aislamiento (14):

- una primera ala térmica (17) unida a dicho extremo superior (28) de la parte lateral (10) del panel criogénico principal, y

- una segunda ala térmica (18) unida a la pared exterior del panel criogénico secundario (7), extendiéndose transversalmente dichas dos alas térmicas (17, 18), rodeando el panel criogénico secundario (7) y estando una cerca de la otra, de tal manera que aíslen el área de procesado (2) de la pared superior (5) de la cámara de crecimiento (1).

Aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor.

La presente invención se refiere a un aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor.

El semiconductor de nitruro de galio epitaxial (GaN) ha mostrado propiedades de semiconducción muy interesantes para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia tales como LEDs de alta luminiscencia o transistores de radiofrecuencia.

La epitaxia de capas delgadas de GaN puede hacerse por dos técnicas principales, a saber, Epitaxia de Haz Molecular (MBE) y Deposición de Vapor Químico Orgánico Metálico (MOCVD) .

En el caso de la técnica de epitaxia de haz molecular, los átomos o moléculas de elementos o compuestos, por ejemplo galio, se evaporan a partir de un metal fundido en una celda de efusión y el elemento nitrógeno puede ser suministrado por nitrógeno molecular craqueado por una fuente de plasma o a partir de amoniaco en estado gaseoso proveniente de un inyector de gas, que se descompone químicamente en la superficie del sustrato por activación térmica.

Un aparato de epitaxia de haz molecular comprende usualmente un compartimiento de carga en donde se introduce un sustrato a revestir, un compartimiento en el que el sustrato se deshidrata, un compartimiento en el que se realiza una operación de desoxidación del sustrato, una cámara de crecimiento y unos medios de bombeo que bombean los elementos residuales de la cámara de crecimiento.

El sustrato, por ejemplo silicio, se introduce en la cámara de crecimiento, en donde se realiza un vacío de alrededor de 10-8 Pascales. El sustrato se caliente a una temperatura de entre alrededor de 300ºC y 1100ºC. A continuación, se inyecta un precursor gaseoso como el amoniaco en la cámara de crecimiento y el metal en la celda de efusión se calienta para que se evapore. El amoniaco gaseoso reacciona con el metal evaporado en la superficie del sustrato para formar una capa epitaxial de GaN.

Una parte del amoniaco que no se craquea durante el proceso de crecimiento queda atrapado en el panel criogénico que cubre la superficie interior de la pared lateral de la cámara de crecimiento y que rodea el área del proceso.

Debido a:

- la presión de amoniaco utilizado entre 10-5 y 10-2 Pascales durante el paso de inyección,

- la temperatura de las paredes interiores de la cámara de crecimiento alrededor de la temperatura ambiente,

- el área grande de estas paredes en comparación con el volumen de la cámara de crecimiento, y

- la energía de adsorción/desorción de amoniaco en sólidos de alrededor de 75 a 125 kJ/mol,

las moléculas de amoniaco se adsorben fácilmente en las paredes de la cámara de crecimiento, que son usualmente sensibles a la temperatura ambiente, y se desorben con una constante de tiempo de minutos a horas.

Esto induce una presión de vapor no despreciable y un flujo de amoniaco en el sistema cuando se detiene la inyección de amoniaco. Este amoniaco residual puede perturbar los otros procesos realizados en la cámara de crecimiento cuando no se desea amoniaco.

Como ejemplo, cuando se utilizan sustratos de silicio, un importante fondo de presión de amoniaco durante el calentamiento del sustrato nitrura su superficie convirtiendo silicio en nitruro de silicio y afecta así a sus propiedades eléctricas.

En los documentos WO2008/039410 y US571181 pueden encontrarse ejemplos de aparatos de deposición en vacío que tienen una cámara de crecimiento que comprende un panel criogénico con el fin de bombear los elementos residuales presentes en la cámara de crecimiento.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato de epitaxia de haz molecular como el expuesto en la reivindicación 1, que permita reducir eficientemente la presión de precursor gaseoso en la cámara de crecimiento bajo un límite de presión, cuando no se desea el precursor gaseoso. Este límite de presión corresponde a una presión de precursor gaseoso bajo la cual se limita o se evita la perturbación del proceso de crecimiento por el precursor.

A este fin, la invención se refiere a un aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor que comprende un sustrato cubierto por una capa de material, comprendiendo además dicho dispositivo:

- una cámara de crecimiento que rodea un área de procesado, comprendiendo dicha cámara de crecimiento una pared lateral, una pared inferior y una pared superior que tienen cada una de ellas una superficie interior,

- un panel criogénico principal que tiene al menos una parte lateral que cubre la superficie interior de dicha pared lateral,

- un soporte de muestras capaz de sostener dicho sustrato, comprendiendo dicho soporte de muestras unos medios de calentamiento,

- al menos una celda de efusión capaz de evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos,

- un inyector de gas capaz de inyectar en la cámara de crecimiento un precursor gaseoso, siendo una parte de dicho precursor gaseoso capaz de reaccionar con los átomos o moléculas evaporados de elementos o compuestos en la superficie del sustrato para formar la capa,

- unos medios de bombeo conectados a la cámara de crecimiento y capaces de proporcionar capacidad de alto vacío.

Según la invención, el aparato de epitaxia de haz molecular comprende un recinto de aislamiento que cubre al menos las superficies interiores de las paredes de la cámara de crecimiento, comprendiendo dicho recinto de aislamiento partes frías que tienen una temperatura Tmin inferior o igual al punto de fusión del precursor gaseoso, y partes calientes que tienen una temperatura Tmax superior o igual a una temperatura en la que la tasa de desorción del precursor gaseoso sobre dichas partes calientes es al menos 1000 veces mayor que la tasa de adsorción de dicho precursor gaseoso.

La temperatura de las partes frías Tmin es suficientemente baja para atrapar el precursor gaseoso y no liberar este último. La temperatura de las partes calientes Tmax es suficientemente alta para evitar la fijación del precursor gaseoso de las mismas.

La invención permite apantallar el área de procesado frente al precursor gaseoso que se desorbe de las paredes de la cámara de crecimiento, que están usualmente a temperatura ambiente (usualmente una temperatura no comprendida en el rango entre Tmin y Tmax) , reduciendo o eliminando la perturbación del proceso cuando no se necesita el precursor gaseoso. La invención permite limitar la presión de vapor residual del precursor gaseoso (por ejemplo, amoniaco) en la cámara de crecimiento. Se evita la polución del sustrato, la celda de efusión, el inyector de gas y el manómetro.

Según diversas formas de realización, la presión invención se refiere también a las características siguientes, consideradas individualmente o en todas sus posibles combinaciones técnicas:

- la celda de efusión es capaz de evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos del grupo III y el inyector de gas es capaz de inyectar un precursor gaseoso que comprende un elemento del grupo V,

- el sustrato es un sustrato de silicio, la celda de efusión es capaz de evaporar galio y el inyector de gas es capaz de inyectar amoniaco gaseoso,

- la temperatura de dichas partes frías Tmin es inferior o igual a -78ºC, y la temperatura de dichas partes calientes Tmax es superior o igual a +100ºC,

- dichas partes frías del recinto de aislamiento comprenden:

o dicha parte lateral del panel criogénico principal que cubre la superficie interior de la pared lateral, estando dicha parte lateral del panel criogénico principal provista de un orificio para la conexión con los medios de bombeo,

o una parte inferior del panel criogénico principal que cubre la superficie interior de la pared inferior, estando dicha parte inferior del panel criogénico principal provista de un primer orificio para la celda de efusión y un segundo orificio para el inyector de gas,

o una parte superior del panel criogénico principal que cubre la superficie interior de la pared superior, estando... [Seguir leyendo]

1. Aparato de epitaxia de haz molecular para producir pastillas de material semiconductor que comprende un sustrato cubierto por una capa de material, comprendiendo además dicho dispositivo:

- una cámara de crecimiento (1) que rodea un área de procesado (2) , comprendiendo dicha cámara de crecimiento (1) una pared lateral (3) , una pared inferior (4) y una pared superior (5) , presentando cada una de ellas una superficie interior,

- un panel criogénico principal que tiene al menos una parte lateral (10) que cubre la superficie interior de dicha pared lateral (3) ,

- un soporte de muestras (6) apto para soportar dicho sustrato, comprendiendo dicho soporte de muestras (6) unos medios de calentamiento,

- por lo menos una celda de efusión (8) apta para evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos,

- un inyector de gas (9) apto para inyectar en el interior de la cámara de crecimiento (1) un precursor gaseoso, siendo una parte de dicho precursor gaseoso apta para reaccionar con los átomos o moléculas evaporados de elementos o compuestos sobre la superficie del sustrato para formar la capa,

- unos medios de bombeo (11) conectados a la cámara de crecimiento (1) y aptos para proporcionar capacidad de alto vacío,

- un recinto de aislamiento (14) que cubre al menos las superficies interiores de las paredes (3, 4, 5) de la cámara de crecimiento, comprendiendo dicho recinto de aislamiento (14) :

- unas partes frías que tienen una temperatura Tmin inferior o igual al punto de fusión del precursor gaseoso, comprendiendo dichas partes frías del recinto de aislamiento (14) :

- dicha parte lateral (10) del panel criogénico principal que cubre la superficie interior de la pared lateral (3) , y

- una parte inferior del panel criogénico principal (23) que cubre la superficie interior de la pared inferior (4) , estando dicha parte inferior del panel criogénico principal (23) provista de un primer orificio (24) para la celda de efusión (8) , y un segundo orificio (25) para el inyector de gas (9) , y

- unas partes calientes que tienen una temperatura Tmax superior o igual a una temperatura en la que la tasa de desorción de dicho precursor gaseoso en dichas partes calientes es al menos 1000 veces mayor que la tasa de adsorción de dicho precursor gaseoso, comprendiendo dichas partes calientes del recinto de aislamiento (14) :

- dicha celda de efusión (8) , y

- dicho inyector de gas (9) , comprendiendo dicho inyector de gas (9) unos medios de calentamiento,

caracterizado porque comprende un panel secundario criogénico (7) y dicha parte lateral del panel criogénico principal (10) que tiene un extremo superior (28) , comprendiendo dichas partes frías del recinto de aislamiento (14) :

- una primera ala térmica (17) unida a dicho extremo superior (28) de la parte lateral (10) del panel criogénico principal, y

- una segunda ala térmica (18) unida a la pared exterior del panel criogénico secundario (7) , extendiéndose transversalmente dichas dos alas térmicas (17, 18) , rodeando el panel criogénico secundario (7) y estando una cerca de la otra, de tal manera que aíslen el área de procesado (2) de la pared superior (5) de la cámara de crecimiento (1) .

2. Aparato de epitaxia de haz molecular según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas partes frías del recinto de aislamiento (14) comprenden una cuarta ala térmica (20) colocada en el interior del segundo orificio (24) de la parte inferior del panel criogénico principal (23) y extendiéndose desde dicho orificio (24) .

3. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque dichas partes calientes del recinto de aislamiento (14) comprenden una tercera ala térmica (19) unida al inyector de gas (9) , estando colocada dicha tercera ala térmica (19) entre el segundo orificio (25) de la parte inferior del panel criogénico principal (23) y la superficie interior de la pared inferior (4) de la cámara de crecimiento (1) y rodeando el inyector de

gas (9) , de tal manera que aísle el área de procesado (2) de la superficie interior de la pared inferior (4) de la cámara de crecimiento (1) .

4. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la celda de efusión (8) es apta para evaporar átomos o moléculas de elementos o compuestos del grupo III y el inyector de gas (9) es apto para inyectar un precursor gaseoso que comprende un elemento del grupo V.

5. Aparato de epitaxia de haz molecular según la reivindicación 4, caracterizado porque el sustrato es un sustrato de silicio, la celda de efusión (8) es apta para evaporar galio y el inyector de gas (9) es apto para inyectar amoniaco gaseoso.

6. Aparato de epitaxia de haz molecular según la reivindicación 5, caracterizado porque la temperatura de dichas partes frías Tmin es inferior o igual a -78ºC y la temperatura de dichas partes calientes Tmax es superior o igual a +100ºC.

7. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha parte lateral (10) del panel criogénico principal está provista de un orificio (22) para la conexión con los medios de bombeo (11) , comprendiendo dichos medios de bombeo (11) un conducto de bombeo (30) que tiene una pared (15) , comprendiendo dichas partes frías del recinto de aislamiento (14) un panel criogénico (16) , que cubre la superficie interior de la pared (15) del conducto de bombeo (30) .

8. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el recinto de aislamiento (14) cubre al menos el 80% de las superficies interiores de las paredes (3, 4, 5) de la cámara de crecimiento y el conducto de bombeo (30) de los medios de bombeo (11) .

9. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicha celda de efusión (8) comprende un obturador, comprendiendo dichas partes calientes del recinto de aislamiento (14) dicho soporte de muestras (6) y el obturador de la celda de efusión.

10. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el recinto de aislamiento (14) está separado de las paredes (3, 4, 5) de la cámara de crecimiento por un espacio d, de tal manera que el precursor condensado en partes frías de dicho recinto de aislamiento (14) no haga contacto con dichas paredes (3, 4, 5) de la cámara de crecimiento.

11. Aparato de epitaxia de haz molecular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el soporte de muestras (6) se encuentra por debajo del extremo inferior (31) del panel criogénico secundario (7) para limitar o evitar intercambios térmicos entre dicho soporte de muestras (6) y el extremo inferior (31) de dicho panel criogénico secundario (7) .