Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Учеба

Эпитаксиальные методы / 15.02.2016

Источник: Popnano.RU

 
Эпитаксия — ключевое понятие в технологии ИМС. Специалисты часто используют в своей работе такие выражения, как эпитаксиальный слой, гетероэпитаксиальная структура, жидкофазная или газофазная эпитаксия и т.д. 
 
Эпитаксия — это ориентированное наращивание кристаллических слоев на монокристаллическую подложку. Выращенный эпитаксиальный слой повторяет структуру и ориентацию подложки. Если на подложке наращивается эпитаксиальный слой того же состава, что и подложка, то такой вид эпитаксии называется гомоэпитаксией; если иного состава, то гетероэпитаксией. При изготовлении ИМС на кремнии используют гомоэпитаксию (кремний на кремнии). Для получения оптоэлектронных структур (светодиодов, лазеров и т.д.) в видимой области излучения используется гетероэпитаксия. Например, на подложке GaAs наращивают эпитаксиальный слой твердого раствора AlxGa1-xAs (x).
 
При любом способе эпитаксии ростовая ячейка должна состоять из источника, содержащего ингредиенты растущего кристалла, среды, с помощью которой осуществляется транспорт атомов в зону роста, и подложки, на которой происходит кристаллизация. Если средой переноса является вакуум, то это вакуумная эпитаксия. В вакууме атомы могут переноситься на подложку в виде молекулярных пучков. 
Поэтому такой вид эпитаксии называется молекулярно-лучевой (МЛЭ) или молекулярно-пучковой (МПЭ). Если средой переноса служит газ или пар, то эпитаксия называется газофазной или парофазной (ГФЭ). Наконец, если атомы ростового вещества поступают на подложку из жидкой фазы, то это — жидко-фазная эпитаксия (ЖФЭ).
 
В связи с потребностью создания тонких слоев и многослойных структур с точно заданными геометрическими размерами, электрическими и оптическими свойствами, а также необходимостью создания структур с гетеропереходами, в которых граница между областями была бы свободна от примесей, дефектов и напряжений, связанных с различием параметров двух кристаллических решеток, были разработаны многочисленные технологические приемы.
 
Для нормальной работы приборов на основе структур квантовых ям, квантовых точек, сверхрешеток необходимы резкие атомарно гладкие границы между слоями, а толщина слоев во многих случаях должна выдерживаться с атомарной точностью. Понятно, что слоевые наноструктуры могут быть получены только эпитаксиальным наращиванием. Однако, не все эпитаксиальные технологии могут дать границы наноструктур с нужными свойствами. Например, эпитаксия из газовой фазы по традиционной технологии проводится при высокой температуре (850 — 1000)0С, что приводит к заметной диффузии атомов в твердой фазе и к размытию границ слоев. Жидкофазная эпитаксия по традиционной схеме не позволяет сформировать сверхтонкие (~100 нм ) слои достаточно однородные по толщине.
 
В настоящее время широко используются в основном 2 технологии: газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (ГФЭМОС) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).
 
 
1.1. Газофазная эпитаксия. Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений
 
 
В начале рассмотрим аппаратурно-методическое оформление газофазной эпитаксии, а затем подробно остановимся на газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.
 
Газофазная эпитаксия — это ориентированное выращивание кристаллической пленки на подложке из компонент, доставляемых к подложке в виде органических или неорганических соединений в газовой фазе. Кристаллизация газовой смеси осуществляется на нагретой подложке в специальном реакторе (см.рис.3.1.).
 
Парциальными давлениями различных газовых компонент можно управлять, контролируя скорость потока от каждого из компонентов, тем самым можно контролировать состав растущей пленки.
 
Метод газофазной эпитаксии лег в основу промышленной технологии получения кремниевых эпитаксиальных структур. Существует две разновидности этого метода: восстановление тетрахлорида кремния и пиролитическое разложение моносилана. В случае хлоридного метода рост пленки проводится на поверхности подложки кремния, нагретой до 12000С.
 
Процесс протекает в кварцевом реакторе, в протоке газовой смеси при атмосферном давлении. Температурный режим обеспечивается индукционным или резистивным нагревателем. Скорость роста составляет 0,2 — 0,3 мкм/мин. Недостатком этого метода является высокая температура, что приводит к автолегированию (проникновение легирующей примеси из подложки в эпитаксиальный слой). Высокая химическая активность хлористого водорода часто приводит к поломкам технологического оборудования. Хлоридный метод не позволял наращивать кремниевые слои на сапфировых подложках, т.к. HCℓ травит сапфир. В силановом методе процесс проводится при более низких температурах (~10500С ), что значительно уменьшает автолегирование и диффузию. В случае ГФЭ легирование эпитаксиальных слоев проводят одновременно с их ростом путем добавления легирующей примеси в газовый поток.
 
Для выращивания эпитаксиальных слоев соединений А3В5 и, прежде всего, GaAs из газовой фазы существуют три наиболее широко распространненых метода. Первый связан с использованием галогенных соединений — хлоридный метод; второй — с использованием арсина (AsH3) и
 
хлористого водорода (HCℓ) — хлоридно-гидридный метод; третий — с использованием металлоорганических соединений (МОС). Последний метод по сути Как уже отмечалось выше, полупроводниковые твердые растворы в системе GaAs — AℓAs весьма перспективны для наноэлектроники. Однако, выяснилось, что с помощью хлоридного и хлоридно-гидридного методов нельзя выращивать соединения, содержащие Aℓ , так как AsCℓ3 реагирует со стенками кварцевого реактора. Эти соединения выращивают с помощью газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений.
 
Данная технология, благодаря простоте, легкости управления и другим преимуществам, потеснила хлоридную ГФЭ. В настоящее время метод ГФЭ МОС успешно применяется для выращивания гетероструктур GaAs — AℓxGa1-xAs. На примере этой системы рассмотрим аппаратурно-методическое оформление ГФЭ МОС.
 
В стандартном процессе ГФЭ МОС в качестве источника Ga используются металлоорганические соединения триметилгалий Ga(CH3)3 или триэтилгаллий Ga(C2H5)3, а источником As служит арсин (AsH3). Если при обычной ГФЭ выращивание проводится в горячем реакторе, то в случае
 
ГФЭ МОС достаточно нагревать только подложку. Степень пересыщения газовой фазы очень велика, поэтому кристаллизация осуществляется при сравнительно низких температурах (600-700)0С, а это позволяет лучше контролировать толщину выращенных слоев.
 
Химическая реакция получения арсенида галлия, например, из триметилгаллия и арсина может быть записана в следующем виде:
 
Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4
 
Эта реакция протекает при 7000С в атмосфере водорода. Подобные реакции используются для выращивания других двойных, тройных и четверных соединений. Например, рост соединений AℓxGa1-xAs описывается уравнением:
 
(1-x)[(CH3)3Ga] + x(CH3)3Aℓ + AsH3 → AℓxGa1-xAs + 3CH4
 
В этом случае атомная концентрация х алюминия задается начальными парциальными давлениями триметилгаллия и триметилалюминия в газовой фазе.
 
Упрощенная схема установки для ГФЭ МОС приведена на рис.
 
 
 
Процедура выращивания включает приготовление подложки (очистка и травление), продувку системы водородом, разогрев подложки с помощью СВЧ-индуктора, непосредственно процесс осаждения и последующий отжиг в режиме охлаждения. Транспорт необходимых соединений, включая те, что содержат легирующие примеси, осуществляется посредством несущего газа — водорода. Управление давлениями различных реагентов осуществляется с помощью расходомеров газа. Подложка располагается в графитовом держателе, который в процессе осаждения вращается для улучшения однородности наращиваемого слоя. Обычно скорость роста равна ~0,1 мкм/мин.
 
Как уже упоминалось, для создания приборов высокочастотной электроники и оптоэлектроники все более широко используются структуры, в том числе и многослойные, содержащие субмикронные и нанометровые слои монокристаллического кремния, а также арсенида галлия и других соединений А3В5. Во многих случаях очень важно, чтобы толщины слоев были строго определенными, границы подложка-слой или слой-слой были резкими, а толщина переходного слоя, в котором происходит изменение состава или концентрации легирующей примеси не превышала 10 нм.
 
Однако, обычная ГФЭ МОС не может обеспечить резких гетерограниц . В этой связи был разработан метод ГФЭ МОС с пониженным давлением газа в реакторе. Снижение давления газовой смеси позволяет эффективно управлять как градиентом концентрации примесей, так и градиентом изменения химического состава основных компонентов.
Технология ГФЭ МОС с низким давлением газа в реакторе первоначально разрабатывалась для выращивания кремния и GaAs. Затем этот метод стал применяться для выращивания InP, AℓxGa1-xAsP, GaInAsP и др. При этом значительно уменьшается влияние автолегирования, так как температура процесса не превышает (500-800)0С в зависимости от системы.
 
Методом ГФЭ МОС с пониженным давлением в реакторе были созданы:
 
— гетероструктуры GaAs/GaAℓAs и полевые транзисторы на их основе с
 
селективным легированием и высокой подвижностью электронов в
 
двумерном электронном газе;
 
— инжекционные лазеры на основе гетероструктур GaAs/GaAℓAs с
 
квантовыми ямами;
 
— инжекционные лазеры, работающие на длине волны 1,3 мкм с очень
 
низким пороговым током;
 
— структуры GaInAs/InP c набором квантовых ям и др.
 
К недостаткам метода ГФЭ МОС относится загрязнение растущего слоя углеродом, источником которого являются металлоорганические соединения. Тем не менее, качество получаемых слоёв сравнимо с качеством, достаточным при использовании других видов эпитаксиальной технологи (например, ЖФЭ).
 
Основным преимуществом ГФЭ МОС является относительная простота и возможность получения эпитаксиальных гетероструктур на основе твёрдых растворов А 3В5 с управляемой толщиной и составом, и резкими границами. Метод ГФЭ МОС более производителен и перспективен для массового производства.
 
 
1.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия
 
Молекулярно— лучевая (пучковая) эпитаксия (МЛЭ) основана на процессе взаимодействия нескольких молекулярных пучков различного состава с нагретой монокристаллической подложкой и последующего выращивания на ней эпитаксиального слоя. Формирование эпитаксиальных слоёв происходит в процессе управляемого испарения вещества из одного или нескольких источников, создающих молекулярные пучки, в условиях сверхвысокого вакуума. Рост эпитаксиальных слоёв происходит на нагретой подложке при реакции между несколькими молекулярными пучками различной интенсивности и состава. При этом обеспечивается и легко воспроизводится предельно высокое качество слоёв с заданным химическим составом и предельно высокой стехиометрией, с моноатомно гладкими гетерограницами.
 
 
В установках МЛЭ имеется возможность исследовать качество плёнок и их состав «in situ» ( т.е. прямо в ростовой камере во время выращивания) и на основании результатов исследования производить корректировку технологических параметров процесса.
 
Технология МЛЭ была создана в конце 1960-х годов Дж.Артуром и Альфредом Чо.
 
Установка МЛЭ состоит из двух камер: камеры роста и камеры анализа.
 
 
 
 
 
В современных установках могут использоваться 3 камеры, соединенные между собой:
 
— рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры;
 
— загрузочная камера, выполняющая роль шлюза между рабочей
 
камерой и атмосферой;
 
— исследовательская камера с приборами.
 
В рабочих камерах создается безмасляный сверхвысокий вакуум (<10-8 Па). Для этого используется трёхступенчатая система откачки. Форвакуумный насос производит начальное откачивание газа из установки (~0,5 Па). Абсорбционный насос использует материалы с развитой поверхностью (например, порошок цеолита), которые при сильном охлаждении жидким азотом поглощают часть газа из установки. И, наконец, магниторазрядный насос обеспечивает сверхвысокий вакуум за счёт распыления титана и осаждения титановой плёнки на рабочих узлах камеры. Плёнка «прикрывает» находящийся в порах поверхности газ.
 
В камере роста происходит формирование эпитаксиальных плёнок. Испарительные ячейки представляют собой эффузионные ячейки Кнудсена, которые осуществляют медленное истечение испаряемых молекул через малое отверстие (рис.3.3). Основным достоинством эффузионных ячеек Кнудсена является постоянство скорости истечения из неё пара испаряемого вещества во время процесса напыления. Интенсивность молекулярного пучка у подложки может резко возрастать или падать благодаря использованию индивидуальных заслонок, помещённых между каждой из испарительных ячеек и подложкой, которые позволяют очень быстро перекрывать пучки. Это дает возможность изменять состав или тип легирующей примеси буквально на межатомном расстоянии. Тигель испарительной ячейки изготавливается из тугоплавкого материала (чистый нитрид бора или графит). От формы тигля зависят форма и однородность молекулярного пучка. Вокруг тигля наматывается нагревательная спираль. Температура нагрева каждой ячейки строго индивидуальна и контролируется термопарой. Температура испарения зависит от вещества и достигает 1900 К. От температуры зависит плотность потока вещества в пучке. Испарённое в тигле вещество в виде пучка попадает на подложку. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы вещества распространяются, практически по прямой, не испытывая соударения с чужеродными молекулами. С целью уменьшения теплового взаимодействия и предотвращения взаимозагрязнения источников испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким азотом. В каждой испарительной ячейке содержится один из элементов, входящих в состав растущего слоя. Количество ячеек обычно не превышает 6-ти. Температура каждой испарительной ячейки выбирается так, чтобы обеспечить выход из нее молекулярного пучка низкой интенсивности. В случае использования тугоплавких материалов или веществ с высокой химической активностью используется автотигельный метод испарения. Электронный пучок попадает в вещество и расплавляет небольшой объем, из которого происходит испарение. Таким образом вещество само является тиглем.
 
Держатель подложки используется для крепления подложки, ее вращения и нагрева. Встроенный в держатель нагреватель обеспечивает предварительный прогрев образца, а затем поддерживает постоянную температуру подложки. Для устранения эффектов неоднородности структур из-за несимметричности молекулярных пучков держатели подложек делаются вращающимися. Однако в этом случае все равно сохраняется радиальная неоднородность.
 
Технологический процесс начинается с подготовки подложки. После механической обработки (шлифовка, полировка) происходит химическое травление поверхности подложки раствором брома с метанолом, а также смесями серной кислоты, перекиси водорода и воды в различной пропорции (обычно 7:1:1). Для удаления оксида и следов углерода подложку разогревают до ~5500С в потоке мышьяка. Смену подложек производят без разгерметизации камеры роста, используя для этой цели вакуумные шлюзы, так как достижение сверхвысокого вакуума очень длительный процесс.
 
После достижения сверхвысокого вакуума, охлаждения рабочих узлов жидким азотом, эффузионные ячейки выводятся на требуемую температуру. При этом заслонки остаются закрытыми. Затем начинается нагрев подложки с целью десорбции оксида на ее поверхности. В случае GaAs подложку прогревают до 580-6000С, а в случае InP температура составляет ~5200С. Как уже неоднократно подчеркивалось, для изготовления тонких эпитаксиальных структур с резкими границами надо проводить процесс при температурах подложки настолько низких, чтобы в процессе роста практически не происходило объемной диффузии. Оптимальная температура при осуществлении МЛЭ обычно на 100-2000С ниже температуры, используемой при проведении эпитаксии из жидкой или газовой фазы в аналогичных системах. Например, для GaAs она составляет 500-6500С. При такой температуре скорость роста слоя ~0,1 нм/с, что эквивалентно выращиванию одного моноатомного слоя в секунду. При выращивании слоёв GaAs методом МЛЭ атомы галлия и молекулы As2 и As4 попадают на горячую подложку GaAs. К поверхности подложки «прилипают» практически все атомы галлия. Поток атомов мышьяка делается избыточным, но только один атом As на каждый атом Ga остаётся на подложке, формируя стехиометрический состав выращиваемого слоя. Атомы As¸ не образовавшие связи с Ga, испаряются с поверхности. Интенсивность молекулярных пучков и, следовательно, скорость осаждения можно варьировать, изменяя температуру галлиевого источника. Обычно плотность потока галлия близка к 1015 атом/(см2·с), а для мышьяка она в 5-10 раз выше.
 
Источником молекул мышьяка является, как правило, твердый чистый мышьяк, а источником атомов галлия — твердый чистый галлий.
 
Для выращивания гетероструктур AℓxGa1-xAs требуется дополнительная ячейка с Aℓ. При этом соотношение Aℓ и Ga (х) в растущем слое будет пропорционально соотношению плотностей потока в их пучках.
 
Поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать с помощью различных диагностических методов, поместив в установку соответствующую аппаратуру. В частности, масс-спектрометр для анализа как атомных, так и молекулярных пучков и фоновой атмосферы; дифрактометр на быстрых электронах; электронный оже-спектрометр с целью контроля состава слоя, резкости границ и взаимной диффузии; ионный вакуумметр, контролирующий нейтральные атомные пучки; квадрупольный масс-анализатор для контроля интенсивности пучков и ионную пушку для очистки поверхности подложки.
 
 
Основные недостатки технологии МЛЭ:
 
Несмотря на достаточно простую идею, реализация технологии МЛЭ требует решения многих технических задач:
 
— в рабочей камере необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум;
— чистота испаряемых материалов должна быть не ниже 99,999999% (чем
чище материал, тем он дороже;
— для осуществления контролируемого роста необходимо сложное
технологическое оборудование и исследовательские приборы;
— для обслуживания установки МЛЭ требуется специально подготовленный
персонал;
— стоимость оборудования очень высока.
 
 
 
Основные достоинства технологии МЛЭ:
 
— возможность формирования атомарно-гладких границ слоёв;
— получение счетного количества завершенных слоёв, начиная с одного
монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами;
— возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях;
— возможность создания структур со сложным распределением концентрации
основных и примесных элементов;
— наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере, что исключает
недопустимо высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоёв;
— низкие температуры роста, что снижает автолегирование и диффузию в
твердой фазе;
— возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса.
 
Благодаря своим возможностям, МЛЭ в настоящее время играет главную роль в развитии нанотехнологий.
 
TOP100 самых популярных
учебных материалов
за месяц
Место Наименование Показов
1

Цикл научно-популярных видео лекций «Мир нанотехнологий»

Лекции созданы издательством «БИНОМ. Лаборатория знаний» по заказу ГК «РОСНАНО». Целью таких лекций является разъяснение основных понятий и терминов, раскрывающих наиболее перспективные области исполь

1017
2

Реферат на тему: Нанотехнологии в современном мире

  Полный реферат на тему: Нанотехнологии в современном мире. В нем рассмотрены все важные аспекты данной проблемы, и раскрыты все разделы.   СОДЕРЖАНИЕ   &nb

306
3

Конкурс научных проектов учащихся 9-11 классов «Ученые будущего»

С 8 по 10 октября 2010 г. корпорацией Intel и Московским государственным университетом имени М.В.Ломоносова в рамках инициатив Intel в сфере корпоративной социальной ответственности, V Фестиваля науки

300
4

Умные материалы

Автор: Обуденов Александр Современная наука успешно продвигается в создании различных «наноматериалов». Ученые не только синтезируют новые вещества, но и задают им желаемые свойства (например, манипул

210
5

Формулы по химии (таблицы)

  В современном мире трудно найти человека, которому не будут полезны формулы по химии.           

184

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий