Способ сбора ртути в технологической камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии и установка для его осуществления

 

Использование: технология получения тонкопленочных многослойных покрытий. Сущность изобретения: в первом контуре сбора ртути при температурах, близких к температуре кипения ртути (357^oС), расплавленная ртуть через воронку 16, трубопровод 31 и открытый вентиль 30 поступает в питатель 25, а десорбировавшие со стенок экрана 8 газы откачиваются откачными средствами 2. Периодическое размораживание экрана 8, установленного коаксиально внутри камеры 1, приводит к постепенному израсходованию ртути, т.к. она вымораживается на экране 9. Тогда используют второй контур сбора ртути. При этом ртуть конденсируется в жидком состоянии на стенках экрана 40 и выводится в питатель 25 через отверстие 45 и вентиль 48, а газы, которые выделяются из ртути и десорбируют со стенок установки, откачивают откачными средствами 38, защищенными от попадания в них ртути экраном 46. Если собранная в дополнительном контуре ртуть недостаточно очищена, ее можно собрать в испарителе 52. Затем ртуть нагревают, пары ртути через вентиль 54 по трубопроводу 53 поступают в экран 39, конденсируются на его стенках, а газы откачивают откачными средствами 38. В случае ненужности очистки ртуть сливают через вентиль 55 в питатель 25. Положительный эффект: увеличение производительности и надежности установки, уменьшение энергоемкости в 3-5 раз; исключение загрязнения ртути газами и летучими примесями и обеспечение экологически чистого производства. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электронной технике, преимущественно к устройствам для вакуумного нанесения покрытий, и может быть использовано в технологии получения тонкопленочных многослойных покрытий.

Известен способ очистки ртути ректификацией (П.П.Пугачевич. Работа со ртутью в лабораторных и производственных условиях, М. Химия, 1972, стр. 236-237), при котором очищаемую ртуть испаряют в кипятильнике при температуре 255^oС и давлении не ниже 80 мм рт.ст. с последующим барботажем паров ртути через жидкую ртуть с температурой 150^oС и осаждением в холодильнике.

Недостатком данного способа при применении в установках МЛЭ является высокая температура прогрева (т.к. в установке присутствуют материалы типа "виток") и сложность изготовления устройства для выполнения этого способа. Так как встроить в установку МЛЭ такое устройство практически невозможно, для очистки ртути нужно иметь отдельное устройство, на котором осуществляется этот способ.

Известен способ для улавливания паров ртути из промышленных газов (П.П. Пугачевич. Работа с ртутью в лабораторных и производственных условиях. М. Химия, 1972, стр. 292-293), имеющих высокую температуру (200 300 ^oС) и содержащих значительное количество ртути, путем распыления воды в охлаждаемом объеме газа либо пропусканием газа через слой воды.

Этот способ негоден для тонкой очистки отходящих газов и поэтому экологически вреден. С другой стороны, в установках МЛЭ не допускается присутствие воды, поэтому требуется дополнительное осушение ртути.

Известен способ удаления ртути из газовоздушной смеси (П.П.Пугачевич. Работа с ртутью в лабораторных и производственных условиях. М. Химия, 1972, стр. 294), основанный на вымораживании ртути при температурах от -40 до -45^o C из сжатой до давления от 3 до 5 атм. газовой смеси.

Недостатком данного способа при применении в установках МЛЭ является трудность его осуществления, т.к. требуется дополнительное оборудование для сжатия газовоздушной смеси с давлением 10-100 мм рт.ст. до давления 3-5 атм.

Известен молекулярно-лучевой аппарат для обработки нескольких подложек (K. A. Harris, S.Hwang, D.K.Blank et.al. Characterization study of HgTe-CdTe superlattices by means of TEM and infrared photoluminescence. Appl.Phys. Lett. v. 48, N 6, p.396-398 (1986), в котором осуществляется нанесение пленок ртутьсодержащих соединений. Аппарат состоит из откачиваемой ростовой и вспомогательной камер, соединенных вакуумными клапанами, имеет манипулятор в технологической камере, позволяющий перемещать подложку, эффузионные ячейки для создания молекулярных пучков. Сборник ртути выполнен в виде отдельной камеры, охлаждающей жидким азотом и соединенной с технологической камерой вакуумным клапаном, а система прогрева технологической камеры обеспечивает испарение ртути, осевшей при проведении технологических процессов нанесения ртутьсодержащих соединений на внутренних стенках и арматуре технологической камеры. Несколько килограммов ртути собирается в камеру для сбора ртути, откачиваемую турбомолекулярным насосом, за 24 ч.

Недостатком данного устройства является необходимость нарушения сверхвысокого вакуума при удалении ртути из технологической камеры и большая продолжительность времени удаления ртути (не менее 24 ч).

Другим недостатком данного устройства является наличие в сборнике ртути одного охлаждаемого экрана при температуре жидкого азота, приводящая к тому, что вместе с ртутью конденсируются десорбировавшиеся в результате прогрева летучие примеси и газы со стенок и арматуры технологической камеры. В результате собранная в сборнике ртуть загрязнена и оказывается непригодной для повторного применения.

Известен способ сбора ртути (K.A.Harris, et.al. Characterization study of HgTe-CdTe superlerrices by means of TEM and infrared photoluminescence. - Appl. Phts. Lett. v.48, N 6, p.396 (1986) в технологической камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии, заключающийся в осаждении паров ртути, испаряемых источником молекулярных пучков, на охлаждаемых поверхностях камеры в процессе роста пленок, нагреве камеры, вакуумной откачке паров ртути с газами и конденсации паров ртути на поверхности, охлаждаемые до температуры жидкого азота.

Недостатком данного способа является низкая производительность, заключающаяся в большой продолжительности удаления ртути из ростовой камеры, составляющей не менее 24 ч, это время когда установка выведена из рабочего состояния и нанесение пленок в ней невозможно. В процессе нанесения пленок ртутьсодержащих соединений необходимо поддерживать относительно высокое давление паров ртути над подложкой. В результате большие потоки ртути попадают на охлаждаемые экраны и стенки вакуумной технологической камеры и конденсируются. Накопление чрезмерных количеств ртути нарушает работу откачных средств, ухудшает вакуум и делает необходимым периодическое удаление ртути из камеры. Поскольку ртуть конденсируется во всех частях камеры, то единственным способом удаления ртути является прогрев камеры до температуры 120-150^oС специальной системой нагревателей. Для этого предварительно необходимо разморозить криопанели, иначе ртуть не будет выходить из камеры, а станет осаждаться на охлаждаемых экранах. Вследствие массивности и насыщенности камеры различными устройствами разогрев и охлаждение камеры занимают много времени, не считая времени, необходимого для перегонки ртути. Все это время установка не выполняет свои производственные функции.

Другим недостатком данного способа является низкая температура охлаждаемой поверхности сборника ртути, приводящая к тому, что вместе с ртутью конденсируются десорбировавшиеся в результате прогрева летучие примеси и газы со стенок и арматуры технологической камеры. В результате собирающаяся в сборнике ртуть загрязняется и оказывается непригодна для повторного использования и нанесения пленок ртутьсодержащих соединений без дополнительной очистки. Повышение температуры сборника ртути позволяет снизить загрязнение собираемой ртути десорбирующимися газами и примесями, однако оно недопустимо, так как приводит к неполному осаждению ртути в сборнике и вследствие этого к проскоку паров ртути в вакуумную магистраль и далее, в средства откачки и их выхлопу. Например, равновесное давление паров ртути при комнатной температуре составляет 10^-2 10^-3 тор (Справочник химика. Л. Химия, 1971, стр.686). Большие количества отработанной и непригодной для повторного использования ртути создают экологическую проблему (загрязнение окружающей среды).

Целью изобретения является повышение производительности работы установки и достижение экологически чистого производства за счет уменьшения времени удаления основного количества накопившейся в камере ртути без нарушения сверх высокого вакуума камеры, т.е. без нарушения ее работоспособности, и повышения чистоты собираемой для демеркуризации технологической камеры ртути, чтобы собранную ртуть можно было повторно использовать для роста ртутьсодержащих пленок без дополнительной очистки при практически полном осаждении паров ртути в сборнике, транспортируя ее по герметичной системе.

Поставленная цель достигается тем, что при способе сбора ртути в технологической камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии, включающем осаждение паров ртути на охлаждаемые поверхности камеры в процессе роста пленок, нагрев камеры, вакуумную откачку газов с парами ртути и конденсацию паров ртути на охлаждаемые поверхности сборника ртути, проводят дополнительный локальный цикл сбора ртути в квазизамкнутом объеме камеры, в котором поверхности охлаждаемого квазизамкнутого объема с осажденной ртутью нагревают выше температуры точки плавления ртути, полученную жидкую ртуть сливают в питатель, после чего ее транспортируют в источник молекулярных пучков, а в основном цикле в сборник ртути вводят дополнительную температурную зону для очистки и сбора ртути, в которой пары ртути конденсируют на экран с теплообменником при температуре выше точки плавления ртути, жидкую ртуть сливают в питатель.

Кроме того, с целью очистки ртути внутри замкнутой системы ртуть, собранную при проведении локального цикла, испаряют и пропускают через сборник основного цикла.

В устройство для сбора ртути в технологической камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии, содержащем вакуумную технологическую камеру со средствами откачки, манипуляторы перемещения и вращения подложек, молекулярные источники, защитные охлаждаемые экраны, служащие для осаждения ртути, и сборник ртути, соединенный с камерой вакуумным клапаном, имеющий охлаждаемую ловушку, выполнены два контура сбора ртути, для чего в полости защитного охлаждаемого экрана установлен с зазором экран сбора ртути, в стенках которого выполнены окна, с патрубком слива в нижней части конического днища, окна снабжены заслонками, установленными в зазоре между экранами, а нагреватель размещен внутри полости экрана сбора ртути, а сборник ртути снабжен дополнительной ловушкой с теплообменником, установленной между камерой и охлаждаемой ловушкой, кроме того, устройство снабжено питателем и чашкой уровня, причем питатель связан герметичной системой подачи ртути в источник молекулярных пучков и соединен с чашкой уровня, воронкой охлаждаемого экрана, выходами сборника ртути.

В герметичную систему слива может быть установлен испаритель с патрубком слива экрана сбора ртути и питателем, соединенный трубопроводом через вентиль со сборником ртути.

С целью упрощения конструкции в сборнике ртути экраны ловушек установлены коаксиально в одном корпусе.

В устройстве молекулярно-лучевой эпитаксии сбор ртути осуществляется в два цикла, в первом, вводимом дополнительно, сбор проводят в квазизамкнутом объеме камеры без прогрева всей камеры, т.е. локально. Для чего охлаждаемые экраны нагревают выше температуры точки плавления ртути, жидкую ртуть сливают в питатель, а из питателя транспортируют в источник молекулярных пучков. Во втором цикле нагревают всю камеру и ртуть сливают в сборник ртути, где образована еще одна температурная зона, которая служит как для очистки, так и для сбора ртути, в которой пары ртути конденсируют на экране при температуре выше точки плавления ртути, жидкую ртуть сливают в питатель, откачные средства защищены от попадания ртути холодной ловушкой.

Сборник ртути может работать и для доочистки ртути после первого цикла сбора ртути, для чего после выхода ртути ставят испаритель и пары ртути пропускают через сборник ртути. Чтобы реализовать этот способ, в устройстве выполнены два контура сбора ртути.

Первый контур включает две системы охлаждаемых экранов, один из которых является экраном сбора ртути, с нагревателем, создает вокруг зоны напыления квазизамкнутое пространство, собирая на себя основную часть испаренной в технологическом цикле ртути и может быть быстро нагрет. При нагреве экрана сбора ртути сконденсировавшая на нем ртуть плавится и стекает вниз. Имеется система для вывода жидкой ртути из камеры в питатель, герметично связанный с патрубком слива, расположенным в нижней части конического днища экрана. Питатель герметично связан с источником молекулярных пучков, а поддержание уровня ртути в источнике осуществляется с помощью чашки уровня. Для работы первого контура ртуть заливается в питатель, подается из питателя в источник молекулярных пучков, осаждается на стенках охлаждаемых экранов и при нагревании их сливается через патрубок слива в питатель. Таким образом получается замкнутая система, обеспечивающая работу установки длительное время без разгерметизации.

Во втором контуре во время прогрева всей установки ртуть собирают в сборник ртути, где введена еще одна ловушка с теплообменником, в результате чего создаются две температурные зоны с регулируемой температурой по ходу движения паров из технологической камеры, причем первая поддерживается при температуре выше точки плавления ртути, а вторая при температуре ниже точки плавления ртути (от -40 до -200^oС). Различие упругости паров ртути и газов позволяет сконденсировать основное количество ртути в первой температурной зоне, когда конденсация газов не происходит, а основное количество ртути конденсируется, так как, например, при 20^oС равновесная упругость паров ртути составляет 10^-2 10^-3 тор, а давление паров ртути в технологической камере в процессе удаления ртути достигает нескольких тор, в то же время давление паров примесей, в основном органического происхождения, больше 1-3 тор. Во второй зоне происходит полное осаждение остатков паров ртути и летучих примесей, что предотвращает выход паров ртути в вакуумную магистраль и далее в откачные средства.

Две зоны могут быть конструктивно выполнены в виде двух последовательно расположенных сборников, охлаждаемых до разных температур. Для упрощения конструкции две зоны могут быть выполнены в одном сборнике, имеющем два коаксиально установленных экрана, в первый из которых по ходу паров подается, например, охлаждающая вода, а во второй жидкий азот, причем сливаемая из первого экрана ртуть по специальной герметичной системе передается в систему питания ртутного источника.

В систему вывода жидкой ртути в первом контуре можно ввести испаритель для очистки ртути, в котором собранная ртуть нагревается и испаряется, а пары пропускаются через сборник ртути (две температурные зоны), причем клапан, соединяющий технологическую камеру и сборник ртути, закрыт.

Необходимость быстрой очистки камеры роста от ртути, очистка ртути и ее дальнейшее использование потребовало введения локального цикла сбора ртути, герметичной системы транспортировки ртути во всей установке и введения новых конструктивных элементов в устройство, обеспечивающих решение поставленных технологических задач. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается наличием новых узлов: 1. Дополнительная система охлаждаемых экранов с заслонками, образующая квазизамкнутое пространство вокруг зоны осаждения, с патрубком слива в нижней части конического днища и системой вывода ртути из камеры.

2. Дополнительная ловушка ртути с регулируемой температурой.

3. Система связи сборника ртути с системой питания молекулярного источника ртути.

Сравнение заявляемого решения с другими технологическими решениями (Сб. Рост полупроводниковых кристаллов и пленок, ч. I./ Под ред. Л.Н.Александрова. изд. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1984, стр. 8 и C.J.Summers, et. al. Molecular beam epitaxial growth and characterization of Hg(1-x)Cd(x)Te. Proceeding of SPIE the International Society for Optical Engineering, 1983, v.409, p.2-8) показывает, что системы охлаждаемых экранов для ограничения потоков веществ в технологической камере установок молекулярно-лучевой эпитаксии известны.

Однако системы охлаждаемых экранов создавались либо для защиты напыляемой пленки от потоков фоновых газов (Сб. Рост полупроводниковых кристаллов и пленок, ч. I. / Под ред. Л.Н.Александрова, изд. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1984, стр.8), либо для частичной защиты стенок технологической камеры ртутьсодержащих пленок молекулярного пучка ртути (C.J.Summers, et. al. Molecular beam epitaxial growth and characterization of Hg(1-x)Cd(x)Te. Proceeding of SPIE the International Society Optical Eng. 1983, v. 409, p.2-8). Отсутствие квазизамкнутого объема вокруг зоны роста приводит к тому, что значительная доля испарений ртути осаждается не на охлаждаемых экранах, а на стенках и в различных полостях камеры и требует для своего удаления прогрева всей технологической камеры. Применение только одной системы охлаждаемых экранов не позволяет разморозить охлаждаемые экраны для удаления ртути без нарушения сверхвысокого вакуума в камере.

В заявляемом устройстве в технологическую камеру вводятся две системы охлаждаемых экранов, одна из которых создает вокруг зоны напыления квазизамкнутое пространство, в результате чего основная часть паров ртути не разлетается по установке, а конденсируется на них. Для удаления сконденсировавшейся ртути служит патрубок слива нижней части конического днища экрана сбора ртути, связанный с системой для вывода жидкой ртути из камеры. Достаточно разморозить охлаждаемые экраны вокруг зоны напыления и ртуть сольется в патрубок и покинет камеру. Вторая система охлаждаемых экранов в это время остается замороженной и поддерживает рабочий вакуум.

Однако в известных методах очистки зона с более высокой температурой используется для испарения очищаемого материала и накопления нелетучих примесей, а при низкой температуре происходит конденсация очищенного материала.

В заявляемом устройстве в качестве высокотемпературной зоны, аналогичной существующей в известных методах очистки, используется технологическая камера для осаждения пленок ртутьсодержащих материалов, которая в процессе удаления ртути прогревается до температур 120-150^oС, что приводит к испарению ртути и очистке ртути от нелетучих примесей. Двухтемпературное устройство для сбора ртути в отличие от известных устройств позволяет избежать загрязнения ртути газами и летучими примесями, осаждаемыми в зоне с низкой температурой.

Применение замкнутой герметичной системы для работы с ртутью существенно отличает устройство от аналогичных, позволяя обеспечить экологически чистое производство.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

Примеру осуществляемого способа.

Пример 1.

Способ сбора ртути в первом контуре осуществляется следующим образом. В подготовленной для работы питатель ртути заливается ртутью, затем питатель откачивается до рабочего давления, а ртуть подается в источник молекулярных пучков. В процессе роста пленок более 94-95% ртути осаждается на стенках защитного охлаждаемого экрана с нагревателем, образующего квазизамкнутое пространство. На рост пленки идет менее 1% ртути, а остальные 4-5% проникая через отверстия экрана сбора ртути, осаждаются на защитном охлаждаемом экране. В зоне роста пленки (и зоне образца) должно быть давление паров ртути от 10^-4 до 10^-3 тор. При максимально приближенном источнике молекулярных пучков ртути к образцу давление на срезе источника будет от 10^-3 до 10^-1 тор. Коэффициент прилипания ртути к стенкам при Т 70К равен 1, поэтому вся ртуть, попавшая на стенку, прилипнет к ней, и давление вдоль стенок охлаждаемого экрана определяется потоком молекул, летящих от источника молекулярных пучков и от образца. После окончания роста пленки образец убирают из камеры, нагревают стенки экрана сбора ртути в диапазоне температур от -30 до 0^oС. Ртуть, осажденная на стенках экрана сбора ртути, расплавляется и стекает через патрубок слива и систему трубопроводов в питатель, а десорбировавший из ртути и со стенок охлаждаемого экрана газ, откачивается откачными средствами, которые защищены от попадания в них ртути экраном, охватывающим экран сбора ртути (температура стенки экрана равна температуре жидкого азота). Перенос ртути с экрана сбора ртути на защитный охлаждаемый экран определяется упругостью паров, которая лежит в пределах от 10 ^-3 до 10 ^-4 тор при температуре от -30 до 0^oС, скоростью испарения W 5,08·10^-7 г/см² (С.Дэшман. Научные основы вакуумной техники. М. Мир, 1964, стр. 612, табл. 10.1), площадью защитного экрана, смоченного ртутью F 1385 см².

Общее количество ртути, осаждаемое на защитный охлаждаемый экран между двумя демеркуризациями q_Σ= q_м+q_р, где q_м количество ртути, осажденное на защитный охлаждаемый экран за время демеркуризации, q_p количество ртути, осажденное на защитный охлаждаемый экран за вреднее время работы установки между демеркуризациями и временем демеркуризации 1800 с (30 мин).

Количество ртути, перенесенной на защитный экран за одну демеркуризацию: q_м W·F·t 5,08·10^-6· 1385·1800 1,3 г, где W скорость испарения ртути, F площадь отверстий в охлажденном экране, t время одной демеркуризации.

Загрузка ртути в питателе Q 16 кг (примерно 1 л). Расход ртути на выращивание одной пленки толщиной 20 микрометров (рост в течение 5-10 ч) примерно 0,5 кг (или от 50 до 100 г/ч). При трехсменной работе за сутки проводится до 5 процессов выращивания. Расход ртути за сутки до Q_c 2,5 кг/сут.

Демеркуризация проводится, когда в питателе остается Q_н 2,5-3 кг ртути. Остальная ртуть Q_o 13 кг будет осаждена на охлаждаемых экранах.

Расход ртути при росте пленки G 2,7·10^-2 г/с, утечка ртути (5%) на охлаждаемый экран составляет: 1) за 1 сек Gу 2,7·10²·0,05 1,35 ·10^-3 г/с;
2) за один час G_час 1,35·10^-3·3600 4-8 г/час;
3) за сутки G_сут 4,8·24 115 г/сут;
среднее время между демеркуризациями


t_н время между двумя первыми демеркуризациями,
t_к время между двумя последними демеркуризациями.

За средний расход ртути принимается количество ртути, осажденное на охлаждаемый экран за 3 сут q_p G_{у сут}·t_ср 0,115·3 0,345 кг; количество ртути, осажденное на охлаждаемом экране q_Σ= q_р+q_м 0,345 + 0,0013 0,346 кг;
количество демеркуризаций n определяется из арифметической прогрессии

Общее время работы установки без применения второго контура
t=t_ср·n=3,38=114 сут.
Демеркуризация при температурe от -30 до 0^oС позволяет обеспечить непрерывную работу в течение длительного периода с очисткой от конденсирующихся газов СO₂, CH₄ и др. Газы, конденсирующиеся при температуре выше -30 ^oС, остаются в ртути. После прогрева в защитный экран подается жидкий азот, который вымораживает оставшиеся в квазизамкнутом пространстве пары ртути.

Пример 2.

В примере 2 рассматривается нагрев экрана сбора ртути до температуры от 16 до 30^oС (например, подачей в него воды). В этом случае:
F 1385 см² площадь экрана сбора ртути, смоченного ртутью,
W' 4,86·10^-5 г/см²·c скорость испарения ртути при температуре от 16 до 30^oС (С. Дэшман "Научные основы вакуумной техники", М. Мир, 1964, стр. 612, табл.10.1).

t 1800 с время демеркуризации.

Количество ртути, осаждаемое на экран сбора ртути в процессе демеркуризации установки:
4,86·10^-5·1385·1800 121 г.

Общее количество ртути, осажденное на охлаждаемый экран за среднее время работы установки между демеркуризациями: 121 + 345 466 г 0,466 кг
Время работы установки без применения второго контура
T t_ср·n 3·28 86 дней,
здесь n количество демеркуризаций, определяется из арифметической прогрессии

Таким образом, установка при загрузке ртути 16 кг может работать 84 114 сут с перерывами на демеркуризацию, которая проводится в течение 30 мин.

Очищенная от газов ртуть поступает в питатель. После прогрева в экран попадают жидкий азот, который вымораживает остаточные пары ртути в вакуумном технологическом объеме.

Пример 3.

Способ сбора ртути во втором контуре применяется при аварийных вскрытиях технологической камеры, регламентных работах, требующих вскрытия технологической камеры, и при конденсации основной массы ртути на защитном экране. Способ реализуется путем нагрева технологической камеры до температуры от 100 до 250^o С и сбора испаренной ртути на стенках последовательно установленных экранов сборника ртути, подсоединенного к технологической камере через сверхвысоковакуумный клапан. Сборник ртути имеет два экрана. Температура стенки первого экрана (от -30 до 0^oС или от 16 до 30^o С) может быть обеспечена подачей жидкого азота или воды в теплообменник экрана (где происходит его испарение и нагрев за счет теплоты конденсации ртути). Регулируя расход жидкого азота, можно на стенке первого экрана поддерживать заданную температуру. Газы, десорбировавшие со стенок камеры при прогреве, откачиваются откачным устройством, защищенным от попадания ртути вторым экраном, температура стенки которого должна иметь температуру жидкого азота.

Для наиболее полной конденсации ртути в первом экране могут быть применены завихрители потока ртути или другие устройства, повышающие эффективность конденсации ртути.

Собранную в первом экране ртуть сливают через вентиль в питатель, температуру стенок первого экрана доводят до температуры жидкого азота и при достижении в технологической камере упругости паров ртути от 10^-10 до 10^-12 тор клапан СВВ закрывают.

Пример 4.

Ртуть, собранная в первом контуре (см. пример 1), может оказаться загрязненной газами, которые имеют упругость паров выше, чем при температуре от -30 до 0^oС. Для обезгаживания собранную в первом контуре ртуть испаряют и осаждают в сборнике ртути по способу сбора ртути по втором контуре, показанному в примере 3. Клапан СВВ, соединяющий технологическую камеру и сборник ртути закрыт.

На фиг. 1 изображено устройство для молекулярно-лучевой эпитаксии, в котором осуществляется способ сбора ртути, на фиг.2 изображен вариант устройства для молекулярно-лучевой эпитаксии.

Устройство содержит вакуумную технологическую камеру 1 с откачными средствами 2, вакуумными клапанами 3, 4, нагревателем 5. В верхней части камеры 1 установлен манипулятор с нагревателем 6, обеспечивающий перемещение, вращение и нагрев образца 7 (подложки), который вводится в камеру через клапан 3. В камере 1 установлен экран сбора ртути 8, образующий квазизамкнутый объем "А", охлаждаемый жидким азотом защитный экран 9, охватывающий экран 8. Экраны 8, 9 снабжены отверстиями: 10 для подачи образцов; 11 для контроля роста пленок аналитическими средствами 12; 13 для источника молекулярных пучков (ИМП) ртути 14 (ИМП для других вещества А₂B₆ не показаны); 15 - для сбора ртути из объема "А" через патрубок 16. Экран 8 снабжен газовым нагревателем 17 с вводами 18, 19 для подачи и отвода как жидкого, так и горячего азота в режиме роста пленок или сбора ртути. Вместо газового нагревателя 17 может применяться резистивный нагреватель или нагреватель манипулятора 6 и другая технологическая оснастка. Контроль за температурой камеры 1 и экрана осуществляется термопарой 20, 21. Для сокращения потоков ртути из квазизамкнутого объема "А" отверстия 10, 11, 13 перекрываются заслонками 22, 23, 24, установленными между охлаждаемыми экранами 8, 9.

Подача ртути в ИМП 14 осуществляется питателем ртути 25 по трубопроводу 26 при открытых вентилях 27, 28, а для поддержания постоянного по времени уровня ртути "Б" в ИМП 14 используется чашка 29, которая имеет поверхность ртути, существенно большую по сравнению с ИМП 14, и связана с ним по принципу сообщающихся сосудов.

Устройство содержит два контура сбора ртути. Первый локальный контур включает в себя линию слива ртути (экран сбора ртути 8, патрубок 16, вентиль 30, соединенный трубопроводом 31 с питателем 25) и линию подачи ртути (питатель 25, соединенный трубопроводом 26 через вентили 27, 28 с ИМП 14 и чашкой уровня 29). Заливка ртути в питатель 25 осуществляется через вентиль 32, а слив ртути из питатель 25 через вентиль 33.

Второй контур сбора ртути включает в себя прогреваемую технологическую камеру 1, вакуумный клапан 4, установленные последовательно ловушки 34, 35, вакуумные клапаны 36, 37, откачное устройство 38. Ловушка 34 содержит охлаждаемый экран 39 с теплообменником 40, вводами 41, 42 для прокачки охлаждающей жидкости (в качестве охлаждающей жидкости могут применяться вода, фреон, жидкий азот и т.д.). Термопара 43 обеспечивает контроль за температурой конденсации ртути, а через отверстия 44, 45 производится слив ртути и откачка газов, выделившихся в процессе конденсации ртути на поверхности экрана. В ловушке 35 экран 46 выполнен охлаждаемым жидким азотом. Периодический слив ртути из ловушек 34, 35 по трубопроводу 47 в питатель 25 обеспечивается открыванием вентилей 48, 49. Откачку чашки уровня 25 до рабочего давления осуществляют через вентиль 50.

Во втором исполнении, показанном на фиг.2, охлаждаемые экраны 39, 46 установлены коаксиально с зазором в одном корпусе 51.

Дополнительная очистка ртути, собранной в первом контуре, обеспечивается введением в этот контур испарителя 52, в котором можно собрать ртуть, выведенную из экрана 8, для последующего испарения и конденсации на охлаждаемых экранах 39, 46, с которыми испаритель 52 связан посредством трубопровода 53 с вентилем 54. Если необходимость очистки отсутствует, то ртуть через вентиль 55 подается на питатель 25.

Исходное положение установки для работы.

Все вентили и клапаны закрыты. Камера 1, а также контуры сбора и подачи ртути откачаны до рабочего давления, охлаждаемые экраны 8, 9 заполнены жидким азотом. Ртуть залита в питатель ртути через вентиль 32, после чего произведена откачка системы через вентили 32, 50 до рабочего давления.

Устройство работает следующим образом. Через клапан 3 на манипуляторе 6 устанавливают образец 7, открывают вентили 27, 28. Питателем 25 через трубопровод 26 выставляют в ИМП 14 уровень "Б", причем чашка уровня 29 является также буферной емкостью и сглаживает пульсации, изменения уровня ртути от работы питателя ртути. На образце 7 манипулятора 6 выращивают ртутьсодержащие пленки с коэффициентом использования ртути до 1% остальная ртуть конденсируется на экране сбора ртути 8. После израсходования ртути (загружаемого объема ртути около 2 л хватает на две смены работы) оставшуюся ртуть сливают через трубопровод 26 в питатель 25, закрывают вентиль 27, 28, закрывают заслонки 22, 23, 24, в результате чего образуется квазизамкнутый объем экрана сбора ртути 8, и начинают локальный сбор ртути с экранов. Для этого экран разогревают до температуры от -30 до 357^o С (от температуры плавления до температуры кипения), подавая в нагреватель 17 горячий газ.

Размораживание экрана сбора ртути 8 при температуре, близкой к точке плавления ртути (-38^oС), обеспечивает упругость паров ртути в квазизамкнутом объеме камеры от 10^-7 до 10^-6 тор. Это позволяет собрать ртуть без существенного повышения давления в камере и с небольшими потерями ртути, которая конденсируется на экране 9, но время сбора будет велико порядка 2-3 час. Обеспечивая температуру защитного экрана 8, близкую к температуре плавления ртути, можно проводить сбор ртути со стенки экрана сбора ртути 8 во время роста пленок, в результате чего может обеспечиться работа без перерыва по демеркуризации от двух до трех месяцев.

Сбор ртути при температуре, близкой к температуре кипения (357^oС) позволяет резко сократить время сбора ртути до 15 мин, но существенно увеличиваются потери ртути, конденсирующейся на экране 9, потому что при температуре кипения упругость паров ртути в пределах от 600 до 800 тор. Расплавленная ртуть через патрубок 16, трубопровод 31 и открытый вентиль 30 поступает в питатель 25, а выделившиеся из ртути и десорбировавшиеся со стенок экрана 8 газы откачиваются откачными средствами 2. Упругость паров ртути при температуре от -30 до 0^o С находится в пределах от 10^-3 до 10^-4 тор, таким образом количество ртути, конденсирующейся на экране 9, зависит от площади отверстий в экране 8. Расчеты показывают, что при вышеуказанных температурах и постоянном захоложенном экране 9 ртуть можно собрать в течение времени от 0,5 до 2 час, а установка может функционировать без разгерметизации и общего прогрева установки в течение 2-3 месяцев. Периодическое размораживание экрана 8 приводит к постепенному израсходованию ртути, которая вымораживается на экране 9. Когда оставшейся в питателе ртути не будет хватать для напыления одной подложки, тогда используют второй контур сбора ртути, где проводят основной цикл сбора ртути в установке.

Сбор ртути во втором контуре осуществляется следующим образом. Расхолаживают экраны, нагревают камеры, включив нагреватель 5, устанавливают с помощью термопары 20 температуру в пределах от 120 до 200^oС, при этом откачные средства 2 выключены, вентили 27, 28, 30 закрыты. Запускают откачные средства 38, открывают клапаны 36, 37, в экран 46 заливают жидкий азот, а через теплообменник 40 прокачивают охлаждающую жидкость (фреон, жидкий азот), регулируя расход так, чтобы температура стенки экрана была в пределах от -30 до 0^oС, открывают клапан 4. Ртуть конденсируется в жидком состоянии на стенках экрана 40 и выводится в питатель 25 через отверстие 45 и вентиль 48, а газы, выделившиеся из ртути и десорбировавшие со стенок установки, откачиваются откачными средствами 38, защищенными от попадания на них ртути экраном 46. При достижении в установке парциального давления ртути, равного упругости паров ртути от 10^-3 до 10^-4 тор при температуре от -30 до 0^oС, закрывают вентиль 48, а экран 39 заполняют жидким азотом. Когда парциальное давление ртути в камере достигнет величины порядка 10^-11 - 10^-12 тор, клапан 4 закрывают, включают откачные средства 2 и камера 1 к работе готова. При попадании ртути в откачные средства 38 оставляют захоложенным экран 39, прогревают откачные средства 38 и ловушку 35. Ртуть конденсируется на экране 39 до тех пор, пока парциальное давление паров ртути в системе не приблизится к упругости паров ртути при температуре стенки экрана 39, затем закрывают клапан 36 и система готова к работе.

Если собранная в дополнительном контуре ртуть недостаточно очищена, т.е. в ней остались растворенные газы или примеси, ее можно собрать в испарителе 52. Затем ртуть нагревают, пары ртути через вентиль 54 по трубопроводу 53 поступают на экран 39, конденсируются на его стенках, а газы откачиваются откачными средствами 38. В случае ненужности очистки ртути ее сливают через вентиль 55 в питатель 25.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными решениями позволяет:
1. Увеличить производительности установки за счет сокращения времени демеркуризации, обеспечения питания ртутью без разгерметизации установки.

2. Повысить надежность установки за счет уменьшения количества прогревов технологической камеры.

3. Уменьшить энергоемкость в 3-5 раз за счет уменьшения мощности нагревателя охлаждаемого экрана по сравнению с мощностью нагревателя технологической камеры и уменьшения времени демеркуризации.

4. Обеспечить экологически чистое производство за счет организации циркулирования ртути в установке по замкнутому контуру.

5. Обеспечить круглосуточный непрерывный технологический цикл без профилактических работ в течение времени не менее одного месяца. В приведенном прототипе время работы составляет 7 суток с последующей демеркуризаций в течение 24 часов.

В настоящее время установка "Катунь" доработана для обеспечения выращивания ртутьсодержащих пленок. С этой целью установка снабжена источником молекулярных пучков ртути с чашкой уровня, питателем ртути, соединенным с источником молекулярных пучков, сборником ртути, состоящим из двух последовательно установленных ловушек с разными температурами экранов. Фактически на установке реализован второй контур сбора ртути, применяемый при росте ртутьсодержащих пленок.

Разработана конструкторская документация устройства для МЛЭ. в котором реализуется два контура сбора ртути.

Формула изобретения

1. Способ сбора ртути в технологической камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии после осаждения паров ртути на охлаждаемых поверхностях камеры в процессе роста пленок, включающий нагрев камеры, вакуумную откачку газов с парами ртути на охлаждаемые поверхности сборника ртути и конденсацию паров ртути, отличающийся тем, что дополнительно вводят локальный цикл сбора ртути в объеме камеры, образованном дополнительными перегородками, образующими дополнительную камеру, путем нагрева дополнительных перегородок выше температуры точки плавления ртути, полученную жидкую ртуть сливают в питатель, после чего ее транспортируют в источник молекулярных пучков, а в основном цикле в сборнике ртути создают дополнительную температурную зону для очистки и сбора ртути, в которой пары ртути конденсируют на дополнительный экран с теплообменником при температуре выше точки плавления ртути и жидкую ртуть также сливают в питатель.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ртуть, собранную при проведении локального цикла, испаряют и пропускают через сборник основного цикла.

3. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии, содержащая вакуумную технологическую камеру со средствами откачки, манипуляторы перемещения и вращения подложек, источники молекулярных пучков, охлаждаемый защитный экран и сборник ртути, выполненный в виде охлаждаемой ловушки и соединенный вакуумным клапаном с технологической камерой, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным контуром сбора ртути, выполненным в виде замкнутого полого экрана для сбора ртути, установленного в технологической камере, при этом экран для сбора ртути и защитный охлаждаемый экран установлены в технологической камере коаксиально друг другу, причем экран для сбора ртути размещен внутри защитного охлаждаемого экрана с образованием зазоров между экранами и между защитным экраном и стенками технологической камеры, заполняемых охлаждающей средой, в стенках экранов выполнены окна с заслонками, установленными в зазоре между экранами, днища экранов выполнены коническими с патрубками слива в нижней части днища и в полости экрана сбора ртути размещен нагреватель, кроме того, установка также снабжена дополнительной ловушкой с теплообменником, установленной между камерой и охлаждаемой ловушкой, и питателем, и чашкой уровня, причем питатель соединен герметичной системой трубопроводов с источниками молекулярных пучков для подачи в них ртути, с чашкой уровня, с патрубком слива экрана сбора ртути и с выходами ловушек сборника ртути.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что ловушки сборника ртути коаксиально размещены в одном корпусе.

5. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что она снабжена испарителем, размещенным между патрубком слива экрана сбора ртути и питателем, соединенным трубопроводом через вентиль с дополнительной ловушкой сборника ртути.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2