СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Основные положения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии
2. Устройство установки и принципы действия
2.1 Рабочий объем
2.2 Эффузионные ячейки
2.3 Картины на экране ДБЭ
2.4 Подготовка подложки
3. Применение
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых сверхрешеток были инициированы идеей о создании одномерной периодической структуры чередующихся сверхтонких слоев, высказанной в 1969 г. Эсаки и Цу. Изготовление подобной кристаллической структуры из сверхтонких слоев представляло в то время необычайно сложную задачу. Выбор метода изготовления наноструктур определяется требуемой точностью воспроизведения заданного химического состава и толщин слоев. Из опыта известно, что в обычном высоком вакууме 10–6 Торр атомарно чистая поверхность покрывается монослоем из адсорбированных молекул за несколько секунд. Поэтому для контроля процесса нанесения на уровне монослоев необходимы:
1) сверхвысокий вакуум, то есть остаточное давление порядка 10–10 Торр;
2) особо тщательная очистка подложек от окисных пленок;
3) особо чистые исходные материалы;
4) "измельчение" частиц в осаждаемом пучке до размера отдельных молекул;
5) контроль за атомной структурой растущих наноструктур в реальном режиме времени.
Только метод молекулярно – лучевой эпитаксии (МЛЭ) удовлетворяет всем этим требованиям. Поэтому, несмотря на дороговизну, он широко применяется при изготовлении наноструктур.
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Молекулярно-лучевая эпитаксия появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме (давление остаточных газов ниже 10-7 Торр – высокий вакуум, 10-11 – сверхвысокий). Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей пленки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесс – все это вместе привело к созданию качественно новой технологии, способной решать сложные задачи выращивания тонких пленок.
МЛЭ была изобретена Альфредом Чо и Джоном Артуром в Bell Labs в 1968 году. Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов, развитие которого позволило проводить контролируемое осаждение последовательных атомных слоев. МЛЭ в своей основе является утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать "in situ" с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), электронная ожеспектрометрия (ЭОС), вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т. д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с квадрупольным массанализатором для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности. Эти богатые возможности контроля и анализа, устраняющие большую часть сомнений, безусловно дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:
а) получение монокристаллов высокой чистоты — за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;
б) выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах — за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;
в) получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии — за счет ступенчатого механизма роста;
г) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной — за счет точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;
л) создание структур со сложными профилями состава и(или) легирования;
е) создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, — "зонная инженерия".
Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10-8 Па (~10-10 мм рт. ст.).
Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на нагретую монокристаллическую подложку в сверхвысоком вакууме и осаждаются там с образованием тонкой пленки требуемого состава. Как только атомы примеси окажутся на поверхности подложки, они движутся в результате диффузии, пока не достигнут термодинамически выгодного расположения на подложке. Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего они занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки - происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки.
Основным блоком системы МЛЭ является ростовая камера, в которой потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов из эффузионных ячеек (эффузия — медленное истечение газов через малые отверстия). Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диаметром 1—2 см и длиной 5—10 см. На выходе ячейка имеет круглое отверстие — диафрагму диаметром 5—8 мм.
Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на рисунке 1.1. В одной ростовой камере может располагаться несколько испарителей, каждый из которых предназначен для нанесения одного вещества. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Gе) требуется один источник основного материала и источники легирующей примеси n- и р-типа. В случае сложных полупроводников (двойных, тройных соединений) требуется отдельный источник для испарения каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Она подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Ячейки располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько источников этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с растущей пленкой постоянно вращается.
Рисунок 1.1 – Схема простейшей установки молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 – держатель образца c нагревателем; 2 – образец; 3 – масс-спектрометр; 4 – эффузионные ячейки; 5 – заслонки; 6 – манипулятор; 7 – электронная пушка ДОБЭ; 8 – люминесцентный экран.
Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой (рисунок). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. Зона I – зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. Во второй зоне (зона II – зона смешения испаряемых элементов) молекулярные пучки пересекаются и происходит перемешивание различных компонент. О физических процессах, происходящих в этой зоне известно в настоящее время очень мало. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III –зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.
Для достижения желаемой концентрации пленки важно учитывать не только скорость потока вещества, но и его поведение на подложке. При низком давлении потока примесей происходит десорбция на поверхности подложки и поведение осаждаемого материала очень зависит от температуры. Для получения гетероструктуры GaAs из твердых источников испаряют Ga и As. Температура, как правило, поддерживается для давления паров 10-2 до 10-3 Торр внутри эффузионной ячейки, в результате чего получается плотность потока около 1015 молекул/см2 при открытом затворе ячейки. Форма и размер отверстия ячейки оптимизирован для равномерного распределения частиц на подложку. При этом получается потоки из элементарного Ga и тетрамерного As4. Для подложки GaAs поток Ga имеет коэффициент прилипания очень близкий к 1, что указывает на большую вероятность адсорбции атомов. Крекинг-установка часто используют для As4 целью получения As2, что приводит к ускорению роста и более эффективному использованию источника материала. Крекинг-установка используется для получения мономерных (иногда димерных или тетрамерных) частиц из источника. Крекинг-установки расположены таким образом, что поток вещества проходит через них сразу после эффузионной ячейки. Поток вещества, выходящий из эффузионной ячейки, проходит через крекинг-установку, которая производит диссоциацию молекул этого вещества. Некоторые элементы, такие как кремний, имеют достаточно низкое давление пара, поэтому для его испарения используют методы прямого нагрева, такие как электронная бомбардировка или нагрев лазерным излучением. Для электронного пучка используют электромагнитную фокусировку с целью предотвращения попадания кремния в источник электронов. Поскольку материал испаряется с поверхности, загрязнение стенок тигля уменьшается. Кроме того, для этой конструкции не требуется затвор. Модуляцией пучка можно производить очень резкие границы на подложке. Подложки подвергаются предварительной обработке перед процедурой МЛЭ. Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере. Они проходят химическую очистку, а затем помещаются в загрузочную камеру, где подвергаются бомбардировке ионами аргона с последующим отжигом. Этим процессом удаляют верхний слой окисла. Отжиг исправляет дефекты, вызванные бомбардировкой. Условия сверхвысокого вакуума и требование к низкому уровня загрязнения требуют определенного подхода к выбору материалов, из которых будут изготовлены компоненты установки МЛЭ. В первую очередь материал должен иметь низкое давление пара. Низкая скорость испарения уменьшает концентрацию загрязняющих веществ в рабочем объеме. Поэтому для изготовления компонентов установки используют тугоплавкие металлы. Система МЛЭ должна находиться всегда под высоким давлением. При разгерметизации камера наполняется загрязнениями. Чем меньше система будет возвращаться к атмосферному давлению, тем эффективней будут происходить в ней процессы выращивания. Современные системы состоят из двух камер: загрузки подложек и выращивания. При загрузке подложек камера роста остается в сверхвысоком вакууме. Так же можно выделить дополнительную секцию для эффузионных ячеек. Это позволить наполнять их без разгерметизации камеры роста. Ростовые камеры современных технологических комплексов МПЭ оборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава на всем технологическом процессе. Для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагается также дифрактометр отраженных быстрых электронов. Часто ростовые камеры или в многокамерных комплексах МЛЭ в камере для подготовки и анализа подложек и эпитаксиальных структур располагаются электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов и ионная пушка для очистки подложек ионным травлением и послойного анализа состава эпитаксиальных структур. Так же для исследования гладкости поверхности используют метод эллипсометрии. Возможность контроля непосредственно в процессе выращивания - одно из значительных преимуществ МЛЭ. В настоящее время большинство установок для МЛЭ состоят из автоматизированных модулей, которые подразделяются на технологические и вспомогательные. Технологические модули предназначены для проведения определенного технологического процесса — очистки подложек, осаждения пленок, анализа формируемых структур и т.д. Вспомогательными являются, например, модуль загрузки-выгрузки, модуль предварительной откачки и обезгаживания вакуумных камер и др. Входящие в состав комплекса МЛЭ модули соединяются между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля к другой без нарушения вакуума.
Рисунок 1.2 – Схема установки МЛЭ.
2. УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
2.1 РАБОЧИЙ ОБЪЕМ
Рабочий объем (РО) делается из нержавеющей стали. Для создания сверхвысокого вакуума (P=10–10 Торр) рабочий объем обезгаживается многочасовым прогревом до температур около 300 – 400oС. Обезгаживать при больших температурах нельзя, т.к. около 500oС начинается интенсивная диффузия углерода из нержавеющей стали. Это резко увеличивает диффузию газов внутри стали, и она перестает обеспечивать сверхвысокий вакуум. Для прогрева стенки РО окружены резистивными нагревателями, покрытыми сверху асбестовым теплоизолятором и алюминиевыми защитными кожухами. Так же здесь важна насосная система. В нее обычно входят ионный и криогенный насосы.
Для получения слоев высокой чистоты важно, чтобы источники содержали как можно меньше посторонних примесей. Для этого в тигли источников помещают только сверхчистые материалы. Для перехвата частиц, испаряющихся со стенок, внутри РО стоят металлические экраны, охлаждаемые жидким азотом.
Материал в форме молекулярного пучка (луча) из эффузионных ячеек наносится на подогреваемую (примерно до 600o С) вращаемую (для однородности роста слоев) кристаллическую подложку. Этот пучок обычно получается с помощью теплового испарения из источника, содержащего наносимый материал в виде одного химического элемента. Но применяются и источники с металлоорганикой (МОМЛЭ), источники с газообразными гидридами (МЛЭ с газообразными источниками) или некоторой комбинацией таких источников (химическая лучевая эпитаксия – ХЛЭ).
Для образования атомно резких границ между соседними слоями с разным составом важно, чтобы скорость роста слоя равнялась нескольким ангстремам в секунду. Тогда прерывание роста слоя за долю секунды можно обеспечить поворотом механической заслонки, управляемой от компьютера. Расстояние от источника до подложки зависит от размеров последних. В промышленных установках это расстояние больше, чем в лабораторных установках, так как там подложки больше и требуется большая степень однородности слоя вдоль их поверхности.
2.2 ЭФФУЗИОННЫЕ ЯЧЕЙКИ
Эффузионная ячейка представляет цилиндрический резервуар (рисунок 2.2.1), выполненный из пиролитического нитрида бора, который выдерживает температуру около 1300oС без заметного испарения, или высокочистого графита. Его форма может быть цилиндрической или конической с различным углом сужения в зависимости от испаряемого материала. Толщина стенок должна быть относительно большой, чтобы выдерживать работу на протяжении нескольких месяцев. Поверх тигля располагаются нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой экран, изготовленный обычно из танталовой или молибденовой фольги.
Эффузионные ячейки могут работать в области температур до 1400o С и выдерживать кратковременный нагрев до 1600o С. Для испарения тугоплавких материалов, которые используются в технологии магнитных тонких пленок и многослойных структур, нагревание испаряемого материала осуществляется электронной бомбардировкой. Температура испаряемого вещества контролируется вольфрам-рениевой термопарой, прижатой к тиглю. Испаритель крепится на отдельном фланце, на котором имеются электрические выводы для питания нагревателя и термопары. Как правило, в одной ростовой камере располагается несколько испарителей, в каждом из которых размещены основные компоненты пленок и материалы легирующих примесей. С целью предотвращения взаимного загрязнения и уменьшения теплового взаимодействия испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Такой же экран помещают позади держателя образца для уменьшения загрязнения остаточной атмосферы в камере. С этой же целью держатели источников, подложки изготавливают из материалов с низким давлением паров, таких, как алунд, тантал, графит.
Рисунок 2.2.1 – Схема эффузионной ячейки: 1 – тигель; 2 – нагреватель; 3 – радиационный экран; 4 – термопара.
Источники молекулярных пучков нагреваются независимо, пока не будет достигнута требуемая величина выходящего из них потока осаждаемого материала. Изменение температуры эффузионной ячейки на полградуса приводит к изменению потока примерно на один процент. Чтобы контролировать толщину с точностью около 1% для управления температурой ячеек применяются высокостабильные устройства с обратной связью, состоящие из вольфрамо-рениевых термопар и контроллеров. Для предотвращения взаимного теплового влияния соседние ячейки разделены охлаждаемыми экранами.
Пока заслонка перед ячейкой закрыта, часть излучаемого тепла отражается от нее и возвращается обратно в ячейку. Поэтому открытие заслонки вызывает падение температуры ячейки, которое приводит к уменьшению потока вещества из нее на несколько процентов с характерной постоянной времени восстановления равновесия в несколько минут. Этот переходной процесс зависит от таких деталей конструкции как тип заслонки и ее местонахождение, устройство нагревательного элемента и расположение термопары контроллера.
Первый аналитические исследования по распределению потока проводлись на так называемых ячейках Кнудсена, с небольшими отверстиями, которые обеспечивают термодинамические равновесие между расплавом в ячейке и парами. Однако чаще в установках МЛЭ используют ячейки Люнгмюра. Из-за больших размеров выходного отверстия ячейки создание потока может быть достигнуто при более низкой температуре, чем в ячейках Кнудсена, что приводит к снижению энергопотребления и тепловой генерации примесей. Однако в данном типе ячейки поток определяется не только давлением пара, но и геометрией этой ячейки.
Рассмотрим модель Кнудсена эффузионной ячейки. В замкнутом объеме с чистым материалом в твердой или жидкой форме, нагретым до температуры Т, устанавливается термодинамическое равновесие между этим материалом и паром вокруг него. Предполагается, что каждая частица, достигшая поверхности, остается на ней, и для компенсации осевших частиц такой же поток должен уходить с поверхности в пар. Если же коэффициент прилипания К частиц к поверхности меньше единицы, то часть из них отражается и возвращается в пар.
Этот коэффициент прилипания К зависит от многих микроскопических параметров поверхности и налетающих частиц, что делает непредсказуемым поток в такой конфигурации с открытой границей раздела между конденсированной и газовой фазами.
Чтобы избежать этой неопределенности, для источника применяют конструкцию ячейки Кнудсена (рисунок 2.2.2). Здесь излучающая поверхность расплава окружена экраном с маленьким отверстием, которое и является источником испаряемых частиц.
Рисунок 2.2.2 – Конструкция ячейки Кнудсена.
Это отверстие в экране должно быть меньше длины свободного пробега частиц при заданном давлении и толщина стенок отверстия должна быть как можно меньше. При этих условиях влетающие в отверстие частицы не смогут вылететь обратно, то есть эффективный коэффициент прилипания такого источника равен единице независимо от типа материала и температуры. В результате число вылетающих частиц в единицу времени для любого материала пропорционально площади А отверстия ячейки и равно А*Smax (Smax - максимальный поток частиц, испаряющихся с поверхности), а угловое распределение вылетающих частиц пропорционально косинусу угла между направлением вылета и направлением нормали к площади отверстия ячейки. Отклонения от этого косинусного распределения становятся заметными при утолщении стенок ячейки до величины, сравнимой с диаметром выходного отверстия. При дальнейшем увеличении толщины выходной пучок становится все более параллельным (рисунок 2.2.3).
Рисунок 2.2.3 – Эффузионная ячейка с большой толщиной стенок
2.3 КАРТИНЫ НА ЭКРАНЕ ДБЭ
Наиболее популярной технологией слежения за ходом нанесения слоев является дифракция быстрых электронов (ДБЭ) при их отражении от поверхности растущего слоя (отражательная дифракция высокоэнергичных электронов или RHEED в английской транскрипции) (рисунок 2.3.1). С ее помощью калибруют скорости роста слоев и температуру подложки, наблюдают удаление оксидов с поверхности подложки, определяют вид упорядочения поверхностных атомов и подходящее избыточное давление паров, обеспечивают обратную связь для управления источником в зависимости от состояния поверхности растущего слоя и получают информацию о кинетике роста слоя.
Рисунок 2.3.1 – Схема получения изображения растущего слоя путем дифракции быстрых электронов.
Электронная пушка ДБЭ эмитирует электроны с энергией около 10 КэВ, которые падают на поверхность под скользящим углом около 1 градуса. Затем электроны отражаются от нее, падают на экран с фосфорным покрытием и образуют здесь следующие 3 объекта: 1) дифракционный узор из светящихся пятен, 2) пятно зеркального отражения пучка от поверхности подложки, и 3) яркое пятно от электронов первичного пучка, совсем миновавших подложку. Изображение с экрана далее записывается на видеокамеру для записи всей картины или для слежения за изменением во времени интенсивности свечения одного из дифракционных пятен.
Рисунок 2.3.2 – Картина, полученная ДБЭ
Из вида дифракционной картины ДБЭ делают качественные выводы о состоянии поверхности. Если поверхность монокристаллическая и гладкая, то картина состоит из полос, перпендикулярных поверхности подложки (рисунок 2.3.2). При нарушении гладкости поверхности эти полосы разбиваются на отдельные пятна и тускнеют. Аморфная поверхность, например, слой окисла, дает туманное размытие вместо дифракционной картины. Поликристаллическая поверхность дает дифракционную картину, состоящую из колец, окружаюших пятно первичного пучка.
Кроме качественных выводов о состоянии поверхности дифракционная картина содержит и количественные данные об изменении параметра кристаллической решетки в ходе роста слоев. Например, таким способом было измерено 4% рассогласование параметров решеток Ge и Si при эпитаксиальном росте напряженных сплошных и островковых пленок GexSi1–x на подложках Si (100).
2.4 ПОДГОТОВКА ПОДЛОЖКИ
Выращивание высококачественных эпитаксиальных слоев методом МЛЭ требует тщательности в подготовке подложек, поскольку, как правило, не используется очистка поверхности в самой камере роста, за исключением удаления окисных слоев.
Создание пленки можно проводить на подложках различной структуры, ориентации и химического состава. При выборе материалов первоочередное внимание уделяется постоянной решеток. Источником деформации так же является коэффициент температурного расширения, поскольку пленки выращиваются при больших температурах. При охлаждении до комнатной температуры могут возникнуть различные дислокации и дефекты. Так же, плотноупакованные плоскости имеют низкую поверхностную энергию, что способствует десорбции атомов с поверхности, замедляя темпы роста осаждаемых материалов.
Для эпитаксиального роста нужна атомарно высокая чистота исходной подложки, так как атомы примеси из атмосферы или другого источника легко соединяются с подложкой и либо создают дефекты кристаллической структуры, либо ухудшают оптические и электрические свойства растущего эпитаксиального слоя. Для контроля чистоты подложки применяется электронная оже–спектроскопия. Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере. Этот защитный окисный слой удаляется с подложки внутри рабочего объема перед самым началом процесса МЛЭ.
Подложка разрезается на части нужного размера, которые прикрепляются индиевыми прокладками к молибденовым блокам. Закрепленные подложки помещаются в загрузочный шлюз установки МЛЭ и нагреваются несколько часов для их обезгаживания перед их перемещением далее в буферный объем установки. Здесь они опять обезгаживаются нагревом при 450o С перед тем как оказаться в рабочем объеме, где будет происходить эпитаксиальный рост.
Когда подложка только загружена в рабочий объем и повернута навстречу источникам, экран ДБЭ показывает туманное размытие вместо дифракционной картины, что говорит об аморфном состоянии защитного окисла на поверхности подложки. Для удаления этого оксидного слоя подложки нагреваются в условиях избыточного давления As до тех пор, пока на экране ДБЭ не появится дифракционная картина монокристаллической подложки. Температура подложки контролируется термопарой, прижимаемой пружиной к молибденовому основанию подложки.
studfiles.net
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
. Основные положения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии
. Устройство установки и принципы действия
.1 Рабочий объем
.2 Эффузионные ячейки
.3 Картины на экране ДБЭ
.4 Подготовка подложки
. Применение
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых сверхрешеток были инициированы идеей о создании одномерной периодической структуры чередующихся сверхтонких слоев, высказанной в 1969 г. Эсаки и Цу. Изготовление подобной кристаллической структуры из сверхтонких слоев представляло в то время необычайно сложную задачу[1]. Выбор метода изготовления наноструктур определяется требуемой точностью воспроизведения заданного химического состава и толщин слоев. Из опыта известно, что в обычном высоком вакууме 10-6 Торр атомарно чистая поверхность покрывается монослоем из адсорбированных молекул за несколько секунд. Поэтому для контроля процесса нанесения на уровне монослоев необходимы:
) сверхвысокий вакуум, то есть остаточное давление порядка 10-10 Торр;
) особо тщательная очистка подложек от окисных пленок;
) особо чистые исходные материалы;
) "измельчение" частиц в осаждаемом пучке до размера отдельных молекул;
) контроль за атомной структурой растущих наноструктур в реальном режиме времени.
Только метод молекулярно - лучевой эпитаксии (МЛЭ) удовлетворяет всем этим требованиям. Поэтому, несмотря на дороговизну, он широко применяется при изготовлении наноструктур[2].
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Молекулярно-лучевая эпитаксия появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме (давление остаточных газов ниже 10-7 Торр - высокий вакуум, 10-11 - сверхвысокий)[3]. Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей пленки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесс - все это вместе привело к созданию качественно новой технологии, способной решать сложные задачи выращивания тонких пленок[1].
МЛЭ была изобретена Альфредом Чо и Джоном Артуром в Bell Labs в 1968 году[4]. Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов, развитие которого позволило проводить контролируемое осаждение последовательных атомных слоев. МЛЭ в своей основе является утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать "in situ" с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), электронная ожеспектрометрия (ЭОС), вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т. д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с квадрупольным массанализатором для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности. Эти богатые возможности контроля и анализа, устраняющие большую часть сомнений, безусловно дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:
а) получение монокристаллов высокой чистоты - за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;
б) выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах - за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;
в) получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии - за счет ступенчатого механизма роста;
г) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной - за счет точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;
л) создание структур со сложными профилями состава и(или) легирования;
е) создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, - "зонная инженерия"[1].
Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10-8 Па (~10-10 мм рт. ст.)[5].
Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на нагретую монокристаллическую подложку в сверхвысоком вакууме и осаждаются там с образованием тонкой пленки требуемого состава. Как только атомы примеси окажутся на поверхности подложки, они движутся в результате диффузии, пока не достигнут термодинамически выгодного расположения на подложке[6]. Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего они занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки - происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки[7].
Основным блоком системы МЛЭ является ростовая камера, в которой потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов из эффузионных я
www.studsell.com
Описание процесса
Молекулярно-лучевая эпитакция (МЛЭ) представляет собой процесс получения эпитаксиальных пленок методом конденсации молекулярных пучков на подложке в вакууме. Источником молекулярных пучков является полупроводниковый материал, в основном кремний. Испарение материала происходит в результате воздействия на полупроводник сфокусированного электронного пучка или в результате прямого разогрева электрическим током кремниевой пластины. В последнем случае образец (источник) не плавятся, а осуществляется возгонка (сублимация) и перенос вещества на подложку.
Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к молекулярным источникам, являются следующие: высокая чистота создаваемых молекулярных пучков; высокая чистота поверхности источника; стабильная скорость испарения в рабочем режиме; большой запас рабочего вещества; возможность нагрева испаряемого вещества в широком интервале температур.
Процесс МЛЭ происходит в глубоком вакууме при давлении 1,33*10-6-1,33*10-8Па, и при температуре 400— 800° С. Скорость роста эпитаксиального слоя при этих условиях составляет 0,01—0,03 мкм/мин и практически сравнима со скоростью роста пленки, получаемой в процессе эпитаксии из парогазовой фазы. В то же время молекулярно-лучевая эпитаксия обладает рядом преимуществ по сравнению с процессом эпитаксии из парогазовой фазы, основными из которых являются следующие.
1. Более низкая температура технологического процесса при МЛЭ уменьшает диффузию примесей из подложки и авто-легирование.
2. Получаемый в результате МЛЭ слой обладает высоким удельным сопротивлением, так как вероятность попадания посторонних примесей на подложку в вакуумной камере мала.
3. Отсутствие промежуточных химических реакций и диффузионных эффектов, малая вероятность столкновения частиц в высоком вакууме дают возможность точно управлять процессом МЛЭ путем изменения параметров источника, например температуры и времени испарения вещества.
Процесс роста пленки начинается с появления в различных точках поверхности подложки скоплений атомов набегающего пучка. Поперечные размеры этих скоплений составляют величину, порядка десятков ангстрем. В ходе процесса растет как количество этих скоплений, так и их величина. В результате они смыкаются, образуя первичный слой пленки. Таким образом, первичная непрерывная пленка уже имеет минимальную толщину около 20—100А, а не является одноатомной. Это приводит к тому, что источниками дефектов в ней могут быть как дефекты, существующие в зародыше, так и дефекты, образовавшиеся в результате слияния разросшихся зародышей.
Для получения совершенных монокристаллических пленок важнейшей проблемой является получение одинаково ориентированных зародышей, равномерно распределенных по подложке. Разориентация зародышей даже на малые углы вызывает значительное возрастание концентрации дефектов. Как показали исследования, существует вполне определенная температура эпитаксии, выше которой образуются зародыши одной ориентации, причем значение этой температуры зависит от большого числа параметров, которые можно разделить на три группы.
1. Параметры, характеризующие свойства атомного пучка—химический состав, плотность, значение энергии, набегающих на подложку частиц, геометрия пучка.
2. Параметры, характеризующие свойства подложки — чистота поверхности, степень ее структурного совершенства, ориентация подложки по отношению к молекулярному пучку, совокупность химических, физико-химических и физических свойств подложки.
3. Параметры, характеризующие технологический процесс напыления — температура подложки, концентрация и природа примесей в атмосфере над подложкой, величина вакуума, продолжительность технологических операций.
В результате взаимодействия атомов, попадающих на подложку, с атомами последней происходит захват атомов атмосферы (т. е. ансамбля атомов набегающего пучка) поверхностью подложки. Этот процесс называют адсорбцией, при этом различают хемосорбцию и физическую адсорбцию. При хемосорбции энергия взаимодействия составляет величину порядка одного электрон-вольта на атом, т. е. она приблизительно равна энергии протекания химической реакции. Физическая адсорбция обусловлена слабыми взаимодействий-ми атомов пучка с атомами подложки за счет сил Ван-дер-Ваальса.
Адсорбированный атом, иначе адатом, находясь в возбужденном состояний, мигрирует по поверхности подложки, попадая из одной потенциальной ямы в другую. Через некоторое время он может либо задержаться в одной из таких потенциальных ям, либо провзаимодействовать с другими атомами, образовав устойчивые комплексы на поверхности (кластеры), либо покинуть поверхность, т.е. десорбироваться. Вероятность того, что попавший на поверхность атом будет захвачен ею, характеризуется коэффициентом конденсации. Величину этого коэффициента определяют по отношению числа атомов, сконденсировавшихся на поверхности, к общему числу атомов, достигших поверхности из пучка.
Наряду с коэффициентом конденсации важным параметром, характеризующим свойства поверхности адсорбировать атомы из атмосферы, является коэффициент аккомодации.
Пусть идеальный одноатомныи газ, характеризуемый температурой T1 и энергией частиц E1, находится в контакте с поверхностью, температура которой Т2 а энергия частиц— E2.Атом газа, ударившийся о поверхность подложки, приобретает среднюю энергию 2К(Т2—С1)=Е2—Е1. Если атом сразу после соударения отражается, то средний прирост энергии обычно очень мал, т. е. отразившиеся атомы не приходят в равновесие с атомами поверхности. В этом случае средняя энергия десорбированного атома равна Е′2, а соответствующая ей температура—T′1), но такая, что выполняется условие T2>T′1>T1. Тогда величина α, равная
α=(Е'2—Е1)/(Е2—Е1)
характеризует среднюю долю энергии, которой обмениваются при одном столкновении между собой атомы набегающего пучка и подложки. Эта величина называется коэффициентом аккомодации.
Если часть атомов задержалась на поверхности в результате процессов адсорбции, вошла в равновесие с атомами подложки и затем только десорбировалась с энергией ЕД(ТД), то для такой системы коэффициент аккомодации равен
αТ=(Т1—Тот)/(Т1—ТД)= (Е1—Еот)/(Е1—ЕД)
где Тот и Еот—температура и энергия атомов в отраженной части пучка.
Описанный выше случай наиболее вероятен для процессов напыления, так как обычно температура поверхности подложки меньше усредненной температуры атмосферы. Коэффициент аккомодации зависит от массы налетевшего и ударяемого атомов, причем, если эти массы сравнимы, то захваченный атом теряет свою энергию за время нескольких колебаний атомов подложки.
Легирование пленок в процессе МЛЭ
Легирование в процессе МЛЭ осуществляется двумя различными способами. Первый основан на испарении легирующей примеси и встраивании ее в кристаллическую решетку по механизму, аналогичному процессу роста кремния.
В качестве источников примеси используют сурьму Sb, галлий Ga или алюминий Аl. Имеются данные о получении уровня легирования в диапазоне 1013—1019см-3 с однородностью на подложке ±1%. При выборе легирующих примесей в этом случае определяющими являются значения скорости осаждения атомов и значения коэффициента аккомодации. Малые значения коэффициента аккомодации свидетельствуют о высокой вероятности процесса десорбации примеси с подложки и, следовательно, о трудности образования зародышей на ее поверхности. Наличие температурной зависимости коэффициента аккомодации вызывает необходимость точного поддержания температуры подложки.
При другом способе легирования используется процесс ионной имплантации. В этом случае для легирования растущего слоя применяют слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией (0,1—3,0 кэВ). Низкая энергия имплантации обеспечивает введение примеси на небольшую глубину под поверхность растущего слоя и встраивание ее в кристаллическую решетку. При этом способе легирования наряду с сурьмой, галлием и алюминием возможно использование таких примесей как бор, фтор и мышьяк.
П
рименение ионного внедрения в процессе МЛЭ позволяет получать сложные профили легирования, что практически невозможно осуществить, используя методы эпитаксии из парогазовой фазы (рис. 11.6.16). В то же время внедрение МЛЭ в технологический процесс изготовления интегральных схем и полупроводниковых кремниевых приборов долгое время сдерживалось отсутствием необходимого промышленного оборудования. В последние годы налажен выпуск систем для проведения процесса МЛЭ, которые, однако, отличаются высокой стоимостью и сложностью.
Рис. 11.6.16. Распределение примесей при ионной имплантации
Описание установки для выращивания пленок в процессе МЛЭ
Одна из возможных схем современной установки для осуществления процесса молекулярно-лучевой эпитаксии кремния представлена на рис. 11.6.17. Основой ее является вакуумная камера 1, в которой расположены источники молекулярных пучков кремния и легирующей примеси 2, направленные к нагретой подложке 3. Материал тигля, в котором находится кремний, должен быть термически стойким и химически инертным. В качестве такого материала применяют пиролитический нитрид бора или графит, максимальные рабочие температуры которых составляют соответственно 1800 и 2000° С.
Для нагрева кремния используются два электронно-лучевых испарителя мощностью 14 кВт каждый. Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры испарения. Для более равномерного нагрева подложки должны быть расположёны как можно ближе к нагревателю.
Р
ис. 11.6.17. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии.
Контроль температуры процесса осуществляется различными методами (с помощью Термопар, ИК-датчиков, оптических параметров). С целью очистки поверхности образца используют поток ионов инертного газа небольшой мощности, источником которых является ионная пушка 10. Контроль структуры и чистоты как исходной подложки, так и формируемого слоя осуществляют с помощью весьма сложных и информативных устройств. Например, чистота поверхности, ее элементный состав определяются методом ожеспектроскопии, чувствительность, которого составляет величину, равную, примерно, 1012ат/см2).
Кристаллографический анализ подложек и пленок проводят методом дифракции электронов. Пучок электронов, направляемый на подложку под углом, близким к 1°, образует дифракционную картину (электронограмму), по виду которой можно определить параметры элементарной ячейки, выявить в процессе роста слоев нежелательные ростовые структуры и откорректировать в связи с этим рабочие параметры процесса. Для анализа выращиваемых слоев применяют дифракцию быстрых электронов (ускоряющее напряжение 30— 50 кВ), а для анализа выращенных слоев—дифракцию медленных электронов (ускоряющее напряжение от нескольких вольт до 1 кВ), Для химического анализа поверхности используют метод рентгеноэлектронной спектроскопии с разрешением по глубине до 5нм и чувствительностью до 1013 ат/см2 моноатомного слоя. Окна 4, 5 предусмотрены для визуального наблюдения за процессом. В установках МЛЭ помимо основных технологических операций (очистки поверхности подложки, эпитаксиального осаждения, анализа осажденного слоя) выполняются также вспомогательные операции: ввод подложки в зону осаждения; транспортировка подложки из одной камеры в другую; юстировка подложи относительно технологических и контролирующих средств.
Для предотвращения многократных и продолжительных контактов высоковакуумной системы с воздухом предусмотрено использование загрузочного шлюзового устройства 6, в состав которого входят два вакуумных сорбционных насоса и один ионный насос производительностью 30 л/с, устройство для магнитного перемещения загрузочной штанги 7, загрузочное окно 8, клапан 9.
В отличие от эпитаксии из парогазовой фазы использование МЛЭ не связано с принятием особых мер по технике безопасности. Метод МЛЭ является весьма перспективный методом в производстве высокочастотных и оптоэлектронных приборов.
studfiles.net
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
. Основные положения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии
. Устройство установки и принципы действия
.1 Рабочий объем
.2 Эффузионные ячейки
.3 Картины на экране ДБЭ
.4 Подготовка подложки
. Применение
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых сверхрешеток были инициированы идеей о создании одномерной периодической структуры чередующихся сверхтонких слоев, высказанной в 1969 г. Эсаки и Цу. Изготовление подобной кристаллической структуры из сверхтонких слоев представляло в то время необычайно сложную задачу[1]. Выбор метода изготовления наноструктур определяется требуемой точностью воспроизведения заданного химического состава и толщин слоев. Из опыта известно, что в обычном высоком вакууме 10-6 Торр атомарно чистая поверхность покрывается монослоем из адсорбированных молекул за несколько секунд. Поэтому для контроля процесса нанесения на уровне монослоев необходимы:
) сверхвысокий вакуум, то есть остаточное давление порядка 10-10 Торр;
) особо тщательная очистка подложек от окисных пленок;
) особо чистые исходные материалы;
) "измельчение" частиц в осаждаемом пучке до размера отдельных молекул;
) контроль за атомной структурой растущих наноструктур в реальном режиме времени.
Только метод молекулярно - лучевой эпитаксии (МЛЭ) удовлетворяет всем этим требованиям. Поэтому, несмотря на дороговизну, он широко применяется при изготовлении наноструктур[2].
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Молекулярно-лучевая эпитаксия появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме (давление остаточных газов ниже 10-7 Торр - высокий вакуум, 10-11 - сверхвысокий)[3]. Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей пленки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесс - все это вместе привело к созданию качественно новой технологии, способной решать сложные задачи выращивания тонких пленок[1].
МЛЭ была изобретена Альфредом Чо и Джоном Артуром в Bell Labs в 1968 году[4]. Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов, развитие которого позволило проводить контролируемое осаждение последовательных атомных слоев. МЛЭ в своей основе является утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать "in situ" с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), электронная ожеспектрометрия (ЭОС), вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т. д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с квадрупольным массанализатором для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности. Эти богатые возможности контроля и анализа, устраняющие большую часть сомнений, безусловно дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:
а) получение монокристаллов высокой чистоты - за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;
б) выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах - за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;
в) получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии - за счет ступенчатого механизма роста;
г) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной - за счет точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;
л) создание структур со сложными профилями состава и(или) легирования;
е) создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, - "зонная инженерия"[1].
Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10-8 Па (~10-10 мм рт. ст.)[5].
Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на нагретую монокристаллическую подложку в сверхвысоком вакууме и осаждаются там с образованием тонкой пленки требуемого состава. Как только атомы примеси окажутся на поверхности подложки, они движутся в результате диффузии, пока не достигнут термодинамически выгодного расположения на подложке[6]. Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего они занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки - происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки[7].
Основным блоком системы МЛЭ является ростовая камера, в которой потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов из эффузионных я
geum.ru
Министерство образования и науки Российской Федерации
НГТУ
Кафедра ППиМЭ
Курсовая работа по дисциплине
Физико-химические основы процессов микро-
и нанотехнологии.
Термодинамический анализ молекулярно-лучевой эпитаксии
GaAsP
Вариант 4
Факультет: РЭФ
Группа: РМС7-11
Студент: Денисенко Е.
Преподаватель: Илюшин В.А.
Отметка о защите:
Новосибирск, 2014
МЛЭ – процесс эпитаксиального роста тонких пленок различных соединений, основанный на взаимодействии одного или нескольких атомных или молекулярных пучков компонентов соединения с кристаллической поверхностью нагретой подложки в условиях сверхвысокого вакуума. Отличительные особенности МЛЭ:
1.Испарение всех элементов, определяющих состав выращиваемого полупроводникового материала, а также легирующих элементов осуществляется из индивидуальных молекулярных источников. Это дает возможность гибкого управления составом выращиваемой пленки и уровнем ее легирования.
2. Эпитаксиальный процесс производится в условиях сверхвысокого вакуума, что обеспечивает минимальное загрязнение поверхности даже при низкой скорости роста или при его прерывании. В условиях сверхвысокого вакуума атомы и молекулы в пучках двигаются прямолинейно и не испытывают столкновений, пока не достигнут подложки или стенок вакуумной системы, где они эффективно удаляются из системы вследствие конденсации.
3. Молекулярные пучки могут прерываться с помощью механических заслонок, расположенных вблизи каждого молекулярного источника. Существенно, что прерывание пучка происходит за время, много меньшее времени формирования одного монослоя пленки. Это позволяет резко изменять состав и уровень легирования пленки во время роста.
4. Эпитаксиальный процесс проводится при относительно низких температурах, что минимизирует объемную диффузию, приводящую к уширению переходных слоев между областями различного состава или уровня легирования, а также позволяет снизить скорость роста, что необходимо для контролируемого получения пленок сверхмалой толщины (монослоя).
5.Перед началом эпитаксиального роста производится очистка подложки с целью получения атомарно-чистой и атомарно-гладкой поверхностей. Это является необходимым условием получения структур с атомарно-гладкими границами раздела.
6. Эпитаксиальный процесс поддерживается в режиме двумерного (атомарно-слоевого) механизма роста, обеспечивающего получение атомарно-гладкой поверхности границ раздела выращиваемых гетероструктур.
7. Фронт кристаллизации может контролироваться различными физико-аналитическими методами непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Фактически, наибольшая ценность МЛЭ заключается в той информации, которую дает эта технология для понимания физики роста кристаллов.
Подложка, на которой производится эпитаксиальный рост, расположена таким образом, что геометрические оси молекулярных источников (МИ) сходятся в ее центре. Контроль процесса роста осуществляется с помощью дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ). Для правильного позиционирования подложки относительно падающего на нее пучка электронов она размещается на манипуляторе, обеспечивающем перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поворот вокруг азимутальной оси и изменение угла наклона по отношению к горизонтали. Манипулятор используется также при операциях загрузки и выгрузки пластин.
Рис. 1. Схематическое изображение установки МЛЭ
Формирование молекулярных пучков осуществляется блоком молекулярных источников. Каждый МИ для отвода избыточного тепла размещается в отдельном канале охлаждаемой жидким азотом или водой криопанели и снабжен индивидуальной заслонкой для прерывания молекулярных потоков в процессе роста. Имеется также общая охлаждаемая заслонка, расположенная непосредственно под подложкой. В тигли молекулярных источников загружаются химические элементы, из которых происходит образование выращиваемого соединения (например, галлий, алюминий, мышьяк при выращивании GaAlAs) и легирующие элементы (в данном примере – кремний и бериллий для получения материала с электронным или дырочным типом проводимости соответственно). Состав твердого раствора и уровень легирования определяются соотношением потоков частиц из молекулярных источников. Потоки определяются температурами тиглей молекулярных источников, которые контролируются терморегуляторами с точностью 0,5 С.
Поскольку геометрическая ось каждого из молекулярных источников отклонена от нормали к поверхности подложки на некоторый угол, распределение поступивших на подложку молекул не является однородным по поверхности. Это проявляется в неоднородности толщины пленки и ее состава. Для повышения однородности оси МИ смещают из центра к краю пластины и используют вращение подложки. При этом использование метода ДБЭ для контроля процесса роста становится невозможным.
Современные установки МЛЭ обычно имеют несколько вакуумных модулей, каждый из которых имеет собственную систему откачки. Показанная на рис. 2 установка фирмы Vacuum Generators, Ltd содержит модуль роста, аналитический модуль и модуль загрузки подложек. Модули изолируются один от другого с помощью вакуумных затворов. Перемещение подложек между модулями осуществляется системой транспортировки, обычно при помощи магнитных манипуляторов или линейных электродвигателей. Поскольку процесс получения сверхвысокого вакуума в модуле роста является достаточно сложным и требует много времени, партия подготовленных к росту подложек загружается сначала в модуль загрузки подложек, выполняющий роль шлюза. Объем модуля загрузки мал, поэтому он может быть откачан до приемлемо низкого давления достаточно быстро. После этого одна из подложек может быть перемещена через вакуумный затвор в модуль роста. При этом ухудшение давления в сверхвысоковакуумном модуле роста является незначительным вследствие малого объема модуля загрузки.
Рис. 2. Установка МЛЭ V90S фирмы Vacuum Generators, Ltd
Система откачки каждого из сверхвысоковакуумных модулей является многоступенчатой. Используются только безмасляные средства откачки. Снижение давления от атмосферного до давления запуска магниторазрядных насосов производится с помощью сорбционных цеолитовых насосов. Магниторазрядные насосы способны понизить давление до ~10–7 Па, однако это может потребовать очень много времени. Для ускорения используется процедура обезгаживания, при которой весь модуль, в том числе и магниторазрядные насосы, нагревается до температуры ~250 C. При этом откачка производится специальным насосом, находящимся вне обезгаживаемого модуля. Процесс обезгаживания с последующим охлаждением может потребовать нескольких суток. После охлаждения вновь включаются магниторазрядные насосы. Для получения давления ниже чем ~10–7 Па используются титановые сублимационные насосы. Откачка производится слоем титана, периодически напыляемом на стенки криопанели, охлажденной до температуры жидкого азота. В ряде случаев, например при использовании газовых молекулярных источников, в качестве основного средства откачки вместо магниторазрядных насосов используются турбомолекулярные.
Как правило, модуль роста эксплуатируется без нарушения вакуума до момента очередной загрузки молекулярных источников. Рабочий период может продолжаться несколько месяцев. За это время все внутренние элементы модуля роста, в том числе молекулярные источники, заслонки и др. эффективно обезгаживаются. Фоновое давление в таких условиях определяется летучими химическими элементами, испаряемыми во время роста, например мышьяком.
studfiles.net
Министерство образования и науки РФ
Новосибирский государственный технический университет
Кафедра полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Курсовая работа по дисциплине
Физико-химические основы процессов микро-
и нанотехнологии
Термодинамический анализ молекулярно-лучевой эпитаксии
AlGaSb
вариант 9
Факультет: РЭФ
Группа: РНТ1-11
Студент: Макаренко А.Ю
Преподаватель: Илюшин В.А.
Отметка о защите:
Новосибирск 2014
МЛЭ – процесс эпитаксиального роста тонких пленок различных соединений, основанный на взаимодействии одного или нескольких атомных или молекулярных пучков компонентов соединения с кристаллической поверхностью нагретой подложки в условиях сверхвысокого вакуума.
Отличительные особенности МЛЭ:
1. Испарение всех элементов, определяющих состав выращиваемого полупроводникового материала, а также легирующих элементов осуществляется из индивидуальных молекулярных источников. Это дает возможность гибкого управления составом выращиваемой пленки и уровнем ее легирования.
2. Эпитаксиальный процесс производится в условиях сверхвысокого вакуума, что обеспечивает минимальное загрязнение поверхности даже при низкой скорости роста или при его прерывании. В условиях сверхвысокого вакуума атомы и молекулы в пучках двигаются прямолинейно и не испытывают столкновений, пока не достигнут подложки или стенок вакуумной системы, где они эффективно удаляются из системы вследствие конденсации.
3. Молекулярные пучки могут прерываться с помощью механических заслонок, расположенных вблизи каждого молекулярного источника. Существенно, что прерывание пучка происходит за время, много меньшее времени формирования одного монослоя пленки. Это позволяет резко изменять состав и уровень легирования пленки во время роста.
4. Эпитаксиальный процесс проводится при относительно низких температурах, что минимизирует объемную диффузию, приводящую к уширению переходных слоев между областями различного состава или уровня легирования, а также позволяет снизить скорость роста, что необходимо для контролируемого получения пленок сверхмалой толщины ( монослоя).
5. Перед началом эпитаксиального роста производится очистка подложки с целью получения атомарно-чистой и атомарно-гладкой поверхностей. Это является необходимым условием получения структур с атомарно-гладкими границами раздела.
6. Эпитаксиальный процесс поддерживается в режиме дву-мерного (атомарно-слоевого) механизма роста, обеспечивающего получение атомарно-гладкой поверхности границ раздела выращиваемых гетероструктур.
7. Фронт кристаллизации может контролироваться различными физико-аналитическими методами непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Фактически, наибольшая ценность МЛЭ заключается в той информации, которую дает эта технология для понимания физики роста кристаллов.
На рис. 1 представлено схематическое изображение модуля роста установки МЛЭ.
Подложка, на которой производится эпитаксиальный рост, расположена таким образом, что геометрические оси молекулярных источников (МИ) сходятся в ее центре. Контроль процесса роста осуществляется с помощью дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ). Для правильного позиционирования подложки относительно падающего на нее пучка электронов она размещается на манипуляторе, обеспечивающем перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поворот вокруг азимутальной оси и изменение угла наклона по отношению к горизонтали. Манипулятор используется также при операциях загрузки и выгрузки пластин.
Рис. 1. Схематическое изображение модуля роста
установки МЛЭ
Формирование молекулярных пучков осуществляется блоком молекулярных источников. Каждый МИ для отвода избыточного тепла размещается в отдельном канале охлаждаемой жидким азотом или водой криопанели и снабжен индивидуальной заслонкой для прерывания молекулярных потоков в процессе роста. Имеется также общая охлаждаемая заслонка, расположенная непосредственно под подложкой. В тигли молекулярных источников загружаются химические элементы, из которых происходит образование выращиваемого соединения (например, галлий, алюминий, мышьяк при выращивании GaAlAs) и легирующие элементы (в данном примере – кремний и бериллий для получения материала с электронным или дырочным типом проводимости соответственно). Состав твердого раствора и уровень легирования определяются соотношением потоков частиц из молекулярных источников. Потоки определяются температурами тиглей молекулярных источников, которые контролируются терморегуляторами с точностью 0,5 С.
Поскольку геометрическая ось каждого из молекулярных источников отклонена от нормали к поверхности подложки на некоторый угол, распределение поступивших на подложку молекул не является однородным по поверхности. Это проявляется в неоднородности толщины пленки и ее состава. Для повышения однородности оси МИ смещают из центра к краю пластины и используют вращение подложки. При этом использование метода ДБЭ для контроля процесса роста становится невозможным.
Современные установки МЛЭ обычно имеют несколько вакуумных модулей, каждый из которых имеет собственную систему откачки. Показанная на рис. 2 установка фирмы Vacuum Generators, Ltd содержит модуль роста, аналитический модуль и модуль загрузки подложек. Модули изолируются один от другого с помощью вакуумных затворов. Перемещение подложек между модулями осуществляется системой транспортировки, обычно при помощи магнитных манипуляторов или линейных электродвигателей. Поскольку процесс получения сверхвысокого вакуума в модуле роста является достаточно сложным и требует много времени, партия подготовленных к росту подложек загружается сначала в модуль загрузки подложек, выполняющий роль шлюза. Объем модуля загрузки мал, поэтому он может быть откачан до приемлемо низкого давления достаточно быстро. После этого одна из подложек может быть перемещена через вакуумный затвор в модуль роста. При этом ухудшение давления в сверхвысоковакуумном модуле роста является незначительным вследствие малого объема модуля загрузки.
Рис. 2. Установка МЛЭ V90S фирмы Vacuum Generators, Ltd
Система откачки каждого из сверхвысоковакуумных модулей является многоступенчатой. Используются только безмасляные средства откачки. Снижение давления от атмосферного до давления запуска магниторазрядных насосов производится с помощью сорбционных цеолитовых насосов. Магниторазрядные насосы способны понизить давление до ~10–7 Па, однако это может потребовать очень много времени. Для ускорения используется процедура обезгаживания, при которой весь модуль, в том числе и магниторазрядные насосы, нагревается до температуры ~250 C. При этом откачка производится специальным насосом, находящимся вне обезгаживаемого модуля. Процесс обезгаживания с последующим охлаждением может потребовать нескольких суток. После охлаждения вновь включаются магниторазрядные насосы. Для получения давления ниже чем ~10–7 Па используются титановые сублимационные насосы. Откачка производится слоем титана, периодически напыляемом на стенки криопанели, охлажденной до температуры жидкого азота. В ряде случаев, например при использовании газовых молекулярных источников, в качестве основного средства откачки вместо магниторазрядных насосов используются турбомолекулярные.
Как правило, модуль роста эксплуатируется без нарушения вакуума до момента очередной загрузки молекулярных источников. Рабочий период может продолжаться несколько месяцев. За это время все внутренние элементы модуля роста, в том числе молекулярные источники, заслонки и др. эффективно обезгаживаются. Фоновое давление в таких условиях определяется летучими химическими элементами, испаряемыми во время роста, например мышьяком.
studfiles.net
чеек (эффузия - медленное истечение газов через малые отверстия). Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диаметром 1-2 см и длиной 5-10 см. На выходе ячейка имеет круглое отверстие - диафрагму диаметром 5-8 мм[5].
Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на рисунке 1.1. В одной ростовой камере может располагаться несколько испарителей, каждый из которых предназначен для нанесения одного вещества[7]. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Gе) требуется один источник основного материала и источники легирующей примеси n- и р-типа. В случае сложных полупроводников (двойных, тройных соединений) требуется отдельный источник для испарения каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Она подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Ячейки располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке[8]. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько источников этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с растущей пленкой постоянно вращается[5].
Рисунок 1.1 - Схема простейшей установки молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 - держатель образца c нагревателем; 2 - образец; 3 - масс-спектрометр; 4 - эффузионные ячейки; 5 - заслонки; 6 - манипулятор; 7 - электронная пушка ДОБЭ; 8 - люминесцентный экран[9].
Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой (рисунок). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. Зона I - зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. Во второй зоне (зона II - зона смешения испаряемых элементов) молекулярные пучки пересекаются и происходит перемешивание различных компонент. О физических процессах, происходящих в этой зоне известно в настоящее время очень мало. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III -зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии[9].
Для достижения желаемой концентрации пленки важно учитывать не только скорость потока вещества, но и его поведение на подложке. При низком давлении потока примесей происходит десорбция на поверхности подложки и поведение осаждаемого материала очень зависит от температуры. Для получения гетероструктуры GaAs из твердых источников испаряют Ga и As. Температура, как правило, поддерживается для давления паров 10-2 до 10-3 Торр внутри эффузионной ячейки, в результате чего получается плотность потока около 1015 молекул/см2 при открытом затворе ячейки. Форма и размер отверстия ячейки оптимизирован для равномерного распределения частиц на подложку. При этом получается потоки из элементарного Ga и тетрамерного As4. Для подложки GaAs поток Ga имеет коэффициент прилипания очень близкий к 1, что указывает на большую вероятность адсорбции атомов. Крекинг-установка часто используют для As4 целью получения As2, что приводит к ускорению роста и более эффективному использованию источника материала. Крекинг-установка используется для получения мономерных (иногда димерных или тетрамерных) частиц из источника. Крекинг-установки расположены таким образом, что поток вещества проходит через них сразу после эффузионной ячейки. Поток вещества, выходящий из эффузионной ячейки, проходит через крекинг-установку, которая производит диссоциацию молекул этого вещества. Некоторые элементы, такие как кремний, имеют достаточно низкое давление пара, поэтому для его испарения используют методы прямого нагрева, такие как электронная бомбардировка или нагрев лазерным излучением. Для электронного пучка используют электромагнитную фокусировку с целью предотвращения попадания кремния в источник электронов. Поскольку материал испаряется с поверхности, загрязнение стенок тигля уменьшается. Кроме того, для этой конструкции не требуется затвор. Модуляцией пучка можно производить очень резкие границы на подложке. Подложки подвергаются предварительной обработке перед процедурой МЛЭ. Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере[2]. Они проходят химическую очистку, а затем помещаются в загрузочную камеру, где подвергаются бомбардировке ионами аргона с последующим отжигом. Этим процессом удаляют верхний слой окисла. Отжиг исправляет дефекты, вызванные бомбардировкой. Условия сверхвысокого вакуума и требование к низкому уровня загрязнения требуют определенного подхода к выбору материа
www.studsell.com
